En nanometerskalig sond som är utformad för att glida in i en cellvägg och smälta ihop med den kan erbjuda forskare en portal för utökad avlyssning av enskilda cellers inre elektriska aktivitet.

Allt från signaler som genereras när celler kommunicerar med varandra till "matsmältningsrulningar" när celler reagerar på medicinering kan övervakas i upp till en vecka, säger Stanford -ingenjörer.

Nuvarande metoder för att sondera en cell är så destruktiva att de vanligtvis bara tillåter några timmars observation innan cellen dör. Forskarna är de första som har implanterat en oorganisk enhet i en cellvägg utan att skada den.

Sondens nyckeldesign är att den härmar naturliga gateways i cellmembranet, sa Nick Melosh, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik i vars laboratorium forskningen gjordes. Med modifiering, sonden kan fungera som en kanal för att sätta in medicin i cellens kraftigt försvarade inre, han sa. Det kan också ge en förbättrad metod för att fästa neurala proteser, såsom konstgjorda armar som styrs av bröstmuskler, eller djupa hjärnimplantat som används för behandling av depression.

Den 600 nanometer långa, metallbelagd kiselsond har integrerat så smidigt i membran i laboratoriet, forskarna har döpt det till "stealth" -sonden.

"Sonderna smälter in i membranen spontant och bildar bra, starka korsningar där, "Sa Melosh. Anslutningen är så stark, han sa, "Vi kan inte dra ut dem. Membranet kommer bara att fortsätta deformeras snarare än att släppa sonderna."

Melosh och Benjamin Almquist, en doktorand i materialvetenskap och teknik, är medförfattare till ett papper som beskriver forskningen som publicerades den 30 mars Förfaranden från National Academy of Sciences . Tidningen finns tillgänglig online.

Tills nu, att peta ett hål i ett cellmembran har till stor del förlitat sig på brutal kraft, Sa Melosh.

"Vi kan i princip riva hål i cellerna med hjälp av sug, vi kan använda högspänning för att punktera hål i deras membran, som båda är ganska destruktiva, "sa han." Många av cellerna överlever inte. "Det begränsar varaktigheten av eventuella observationer, särskilt elektriska mätningar av cellfunktionen.

Nyckeln till sondens enkla införande - och membranets önskan att behålla den - är att Melosh och Almquist baserade sin design på en typ av protein som naturligt finns i cellväggar som fungerar som en portvakt, styr vilka molekyler som tillåts in eller ut.

Ett cellmembran är i huvudsak en muromgärdad fästning. Inuti själva väggen finns ett vattenavvisande medel, eller hydrofob, zon. Eftersom nästan alla molekyler i ett levande väsen är vattenlösliga, den hydrofoba regionen fungerar som en barriär för att hindra molekylerna från att glida genom cellväggen. Den enda vägen in eller ut är via de specialiserade proteinerna som bildar broar över membranet.

Dessa "transmembrana" proteingateways matchar membranets arkitektur, med en hydrofob mittdel avgränsad av två vattenlösliga, eller hydrofil, skikten.

"Det vi har gjort är att göra en oorganisk version av ett av dessa membranproteiner, som sitter i membranet utan att störa det, "Sade Melosh." Nu kan vi tänka oss att använda den för att göra vår egen grindhållning. "

För att bygga sin sond, Melosh och Almquist använde nanofabrikationsmetoder från halvledarindustrin för att göra små kiselstolpar, the tips of which they coated with three thin layers of metal - a layer of gold between two of chromium - to match the sandwich structure of the membrane. They then coated the gold band with carbon molecules to render it hydrophobic; the chromium bands are naturally hydrophilic.

"Getting that hydrophobic band just a few nanometers in thickness was an incredible technical challenge, " Melosh said. Applying such a thin layer to the tip of a probe only 200 nanometers in diameter was impossible using existing methods, so he and Almquist devised a new technique using metal deposition to create the thin band that was needed.

That carefully applied metal coating on the stealth probe could give researchers electrical access to the inside of a cell, where they might monitor the electrical impulses generated by various cellular activities, Sa Melosh. Den där, combined with the probe's stability in the membrane, could be a huge asset to studies of certain electrically excitable cells such as neurons, which send signals throughout the brain, spinal cord and other nerves.

A device called a "patch clamp" can be used to monitor those sorts of electrical signals among cells now, Melosh said, but in its current form, it is comparatively crude.

"You come in with it, touch it to the cell surface, apply suction and tear a hole in the cell to give you access, " he said. "However, it is a fairly slow procedure that has to be done one cell at a time, and it kills the cell within an hour or so."

"If the stealth probe will give us a long-term patch clamp, we'll really be able to get the ability to watch these networks over long periods of time, perhaps up to a week, " han sa.

"Helst, what you'd like to be able to do is have an access port through the cell membrane that you can put things in or take things out, measure electrical currents … basically full control, " said Melosh. "That's really what we've shown - this is a platform upon which you can start building those kinds of devices."

The next step is to demonstrate the functionality of the probe in living cells. Almquist and Melosh are now working with human red blood cells and cervical cancer cells, as well as ovary cells from a species of hamster.