För att cellerna i våra kroppar ska fungera som en enhet, de måste ständigt kommunicera med varandra. De utsöndrar signalmolekyler – joner, proteiner och nukleinsyror – som tas upp av intilliggande celler, som i sin tur vidarebefordrar signalen till andra celler. Våra muskler, matsmältningssystemet och hjärnan kan bara fungera tack vare denna typ av kommunikation. Och detta är det enda sättet på vilket vårt immunsystem kan känna igen patogener eller infekterade celler och reagera därefter – igen, genom att skicka ut signaler för att mobilisera immunförsvaret. Om något går fel med denna signalering mellan celler, det kan leda till sjukdomar som cancer eller autoimmuna sjukdomar. "Det är därför det är viktigt att undersöka vilka signaler cellerna skickar ut i vilka situationer, " säger Morteza Aramesh. Biofysikern, som arbetar i Laboratory of Biosensors and Bioelectronics vid ETH Zürich, har utvecklat en ny metod som gör just det:den lyssnar på kommunikation mellan enskilda celler.

En innovativ nanosensor

Även om det har varit möjligt att mäta dessa signaler tidigare, det kunde bara göras för hela populationer av hundratals eller tusentals celler. Metoderna var inte tillräckligt känsliga för att användas på enskilda celler, vilket betyder att signalmolekylerna från individuella celler sänktes ned i genomsnittet av den totala cellpopulationen:"Det var omöjligt att upptäcka skillnader mellan celler för att identifiera sjuka celler, till exempel, säger Aramesh.

Den nya metoden, som nyligen publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik , är annorlunda. Aramesh och hans kollegor använde det som är känt som ett vätskekraftsmikroskop, utrustad med en speciell konsolspets. En cantilever är en liten hävarm med en fin spets som kan användas med den här typen av mikroskop för att skanna ytor - som t.ex. en cells. Nytt är att en liten sensor är placerad på spetsen av konsolen. Den består av en kiselnitridpor bara några nanometer stor, som registrerar när en cell släpper molekyler.

Hur det fungerar:transportproteiner som finns i cellmembranet styr hur en cell släpper ut signalmolekylerna. Den nya nanoporsensorn har så liten diameter att den kan placeras exakt över ett av dessa transportproteiner och på så sätt fånga upp molekylerna som strömmar genom den. Nanoporsensorn kan mäta jonströmmen, som förändras när joner eller större biomolekyler, såsom proteiner eller nukleinsyror, strömma genom poren. Olika signalmolekyler kan sedan identifieras beroende på arten och varaktigheten av förändringen i jonström.

En närmare titt på enskilda celler

Forskarna har testat sin metod, som de kallar scanning nanopore mikroskopi, på levande nervceller från råttas hjärnvävnad. Än så länge, de har kunnat skilja mellan individuella signalmolekyler, såsom joner och vissa proteiner. Biofysikerna planerar nu att utveckla sin nanosensor ytterligare för att identifiera andra signalmolekyler i framtiden. "Vårt mål är att i slutändan kunna analysera alla en cells signaler, säger János Vörös, Chef för Laboratory of Biosensors and Bioelectronics och sista författare till publikationen. Ändå, metoden kan redan användas för att lokalisera transportproteiner i en levande cell.

Dessutom, den nyutvecklade sensorn har gjort det möjligt för forskarna att titta inuti celler också, eftersom spetsen på nanosensorn är så känslig att den kan punktera cellmembranet utan permanent skada. Inne i cellen, det är då möjligt att analysera vad som elimineras från cellkärnan. "RNA-fragment är av särskilt intresse här, säger Vörös. De ger insikt i vilka proteiner en cell för närvarande producerar – en nyckelfaktor i uppkomsten av många sjukdomar.

"Vår metod erbjuder biologer helt nya sätt att undersöka beteendet hos enskilda celler, ", tillägger Vörös. Den kan inte bara skilja på sjuka och friska celler, men kan också användas vid utveckling av stamceller eller för att avgöra om celler i labbet beter sig på samma sätt som i kroppen. Den nya metoden kommer sannolikt att hjälpa till att svara på många andra frågor i framtiden.