Nanopipetter med zwitterjoniska membran kan erbjuda förbättrad övervakning av förändringar i pH som omger levande celler, som kan indikera egenskaper hos invasiva cancerceller och deras svar på behandling, rapporterar forskare vid Kanazawa University i Naturkommunikation .

"Det blir tydligt att ett surt extracellulärt pH spelar en viktig roll i cancercellprogression, invasivitet och motståndskraft mot terapi, " förklarar Yuri Korchev och Yasufumi Takahashi vid Nano Life Science Institute vid Kanazawa University och Yanjun Zhang vid Imperial College London och kollegor vid samverkande institutioner i Storbritannien, Kina, Japan och Ryssland i en färsk tidning. Trots det växande erkännandet av vikten av pH som direkt omger en cell som en indikator på cellhälsa, tekniker för att mäta det förblir begränsade när det gäller deras känslighet, den rumsliga upplösningen de kan erbjuda och reaktionshastigheten på pH-förändringar. Rapporterar in Naturkommunikation , Zhang, Takahashi och Korchev och kollegor beskriver en nanopipett pH-biosensor som är känslig för förändringar i pH på mindre än 0,01 enheter med en svarstid på 2 ms och 50 nm rumslig upplösning.

Forskarna designade ursprungligen sensorn som en nanopipettjonisk fälteffekttransistor - där grindar styr flödet av joner i nanopipetten istället för elektroner. Dock, medan detta hanterade frågor kring pH-känslighet och rumslig upplösning, enhetens avläsningar tog fortfarande några sekunder att svara på pH-förändringar på grund av joniska Coulomb-blockadeffekter som hämmade diffusionshastigheten för joner.

Lösningen Zhang, Takahashi och Korchev och kollegor föreslår nu är att införliva ett zwitterjoniskt membran för att möjliggöra snabbare svar. Genom att använda en nanopipett med tvillingcylinder med membranet i bara ett av faten kunde forskarna använda det andra fatet som ett scanning jonkonduktansmikroskop (SICM) för samtidiga topologiska mätningar.

Teamet testade enheten på levande cancerceller och visade hur enheten kunde ta upp ökningar i extracellulärt pH från invasiva fenotyper av bröstcancerceller som hade blivit berövade på östrogen. De kan också upptäcka pH-förändringar från alger som utsätts för solljus, orsakas av upptaget av oorganiskt kol i fotosyntesen, samt att identifiera heterogeniteter i aggressiva melanomceller från högupplösta pH-kartor.

Att lyfta fram den realtidsåterkopplingskontrollerade dynamiska 3D-kartläggningen av extracellulärt pH som deras verktyg tillåter, och heterogeniteterna hos cancerceller som den kan upptäcka "etikettfri och med subcellulär upplösning" drar de slutsatsen, "Denna metod kan hjälpa till med cancerdiagnostik, prognos, och vid utvärdering av sura pHe [extracellulärt pH] riktade terapier."

Begränsningar av tidigare tekniker

De mest använda pH-sonderna för närvarande är baserade på mikroelektroder som är ganska stora i jämförelse med skalan av pH-fluktuationer av intresse i studier av extracellulärt pH. Alternativ har baserats på förändringar i fluorescensen hos molekyler, kärnmagnetisk resonanstomografi och positronemissionsdatortomografi. Dock, övervakning av fluorescens är föremål för bakgrundsljud och fotoblekning, och de andra teknikerna har dålig rumslig upplösning och skapar svårigheter vid kvantifiering eftersom de är baserade på fördelningen av sönder inom vävnad.

Genom att använda en nanopipett som en jonfältseffekttransistor, forskarna kunde övervinna de flesta problem som begränsar tidigare tekniker. Men ömsesidig avstötning av samma laddning leder till Coulomb-blockadeffekten, som börjar hämma diffusionen av positivt laddade protonerade vattenmolekyler i nanopipetten och detta saktar ner svarstiden.

Zwitterjoniskt membran

En zwitterjon är en oladdad molekyl som innehåller motsatt laddade funktionella grupper. För det zwitterjoniska membranet i nanopipetten sätter forskarna själv ihop en hydrogel från poly-l-lysin (PLL) och glukosoxidas (GOx), vilket har fördelar vad gäller kostnad och stabilitet. PLL har positivt laddade kvartära amingrupper och GOx har en negativt laddad karboxylsyrarestgrupp. Närvaron av glutaraldehydånga kan sedan tvärbinda den resulterande PLL/GOx-hydrogelen.

I neutralt pH uppvisar det zwitterjoniska membranet både positivt och negativt laddade funktionella grupper, men under låga pH-förhållanden dominerar de positiva amingrupperna så att negativa anjoner företrädesvis diffunderar genom membranet och undviker en jonisk Coulomb-blockad.