Celler i våra kroppar delar sig och förändras över tid, med tusentals kemiska reaktioner som inträffar inom varje cell dagligen. Detta gör det svårt för forskare att förstå vad som händer inuti. Nu, små nanostraws utvecklade av Stanford-forskare erbjuder en metod för att ta prover på cellinnehåll utan att störa dess naturliga processer.

Ett problem med den nuvarande metoden för cellprovtagning, kallas lysering, är att det spricker cellen. När cellen är förstörd, det går inte att ta prov från igen. Detta nya provtagningssystem bygger på små rör som är 600 gånger mindre än ett hårstrå som gör att forskare kan ta prov på en enda cell åt gången. Nanostråna penetrerar en cells yttre membran, utan att skada den, och dra ut proteiner och genetiskt material från cellens salta inre.

"Det är som att ta blodprov för cellen, sa Nicholas Melosh, en docent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och senior författare på en artikel som beskriver arbetet som nyligen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Icke-förstörande övervakning

Tekniken för nanohalmprovtagning, enligt Melosh, kommer att avsevärt påverka vår förståelse av cellutveckling och kan leda till mycket säkrare och effektivare medicinska behandlingar eftersom tekniken möjliggör långsiktiga, oförstörande övervakning.

"Vad vi hoppas kunna göra, använder denna teknik, är att se hur dessa celler förändras över tiden och kunna sluta sig till hur olika miljöförhållanden och "kemiska cocktails" påverkar deras utveckling – för att hjälpa till att optimera terapiprocessen, sa Melosh.

Om forskare till fullo kan förstå hur en cell fungerar, sedan kan de utveckla behandlingar som kommer att adressera dessa processer direkt. Till exempel, när det gäller stamceller, forskare upptäcker sätt att växa hela, patientspecifika organ. Tricket är, forskare vet inte riktigt hur stamceller utvecklas.

"För stamceller, vi vet att de kan förvandlas till många andra celltyper, men vi känner inte till utvecklingen – hur går de från stamceller till, säga, hjärtceller? Det finns alltid ett mysterium. Denna provtagningsteknik kommer att ge oss en tydligare uppfattning om hur det går till, sa Yuhong Cao, en doktorand och första författare på tidningen.

Provtagningstekniken skulle också kunna informera cancerbehandlingar och svara på frågor om varför vissa cancerceller är resistenta mot kemoterapi medan andra inte är det.

"Med kemoterapi, det finns alltid celler som är resistenta, " sa Cao. "Om vi ​​kan följa den intercellulära mekanismen hos de överlevande cellerna, vi kan veta, genetiskt, dess svar på drogen."

Efterliknar biologi

Provtagningsplattformen som nanostråna odlas på är liten – ungefär lika stor som en gummiboll. Det kallas Nanostraw Extraction (NEX) provtagningssystem, och den designades för att efterlikna biologin själv.

I våra kroppar, celler är förbundna med ett system av "portar" genom vilka de skickar näringsämnen och molekyler till varandra, som rum i ett hus som förbinds med dörröppningar. Dessa intercellulära grindar, kallas gap junctions, är det som inspirerade Melosh för sex år sedan, när han försökte fastställa ett oförstörande sätt att leverera ämnen, som DNA eller mediciner, inuti celler. Det nya NEX-samplingssystemet är det omvända, observera vad som händer inom snarare än att leverera något nytt.

"Det är en superspännande tid för nanoteknik, " Sa Melosh. "Vi kommer verkligen till en skala där det vi kan göra kontrollerbart är samma storlek som biologiska system."

Perfektion av nanohalmprovtagningssystemet

Det tog år att bygga NEX-samplingsystemet. Melosh och hans team behövde inte bara säkerställa att cellprovtagning med denna metod var möjlig, de behövde se att proverna faktiskt var ett tillförlitligt mått på cellinnehållet, och att prover, när det tas över tid, förblev konsekvent.

När teamet jämförde sina cellprover från NEX med cellprover tagna genom att bryta upp cellerna, de fann att 90 procent av proverna var överensstämmande. Meloshs team fann också att när de tog prover från en grupp celler dag efter dag, vissa molekyler som borde vara närvarande vid konstanta nivåer förblev desamma, vilket indikerar att deras provtagning exakt reflekterade cellens inre.

Med hjälp av medarbetare Sergiu P. Pasca, biträdande professor i psykiatri och beteendevetenskap, och Joseph Wu, professor i radiologi, Melosh och medarbetare testade NEX-provtagningsmetoden inte bara med generiska cellinjer, men också med mänsklig hjärtvävnad och hjärnceller odlade från stamceller. I varje fall, nanohalmprovtagningen återspeglade samma cellulära innehåll som lysering av cellerna.

Målet med att utveckla denna teknik, enligt Melosh, var att påverka medicinsk biologi genom att tillhandahålla en plattform som vilket labb som helst kunde bygga. Endast ett fåtal labb över hela världen, än så länge, använder nanostrån i cellulär forskning, men Melosh förväntar sig att siffran kommer att växa dramatiskt.

"Vi vill att så många människor ska använda den här tekniken som möjligt, ", sa han. "Vi försöker hjälpa till att främja vetenskap och teknik för att gynna mänskligheten."