Le fonctionnement de la nanosonde à double barillet pour l'imagerie SICM et la mesure du pH simultanées. Avec l'aimable autorisation de Communication Nature Crédit :Université de Kanazawa
Les nanopipettes à membranes zwitterioniques peuvent offrir une meilleure surveillance des changements de pH entourant les cellules vivantes, qui peut indiquer les caractéristiques des cellules cancéreuses invasives et leur réponse au traitement, rapportent des chercheurs de l'Université de Kanazawa en Communication Nature .
"Il devient clair qu'un pH extracellulaire acide joue un rôle essentiel dans la progression des cellules cancéreuses, invasivité et résistance au traitement, " expliquent Yuri Korchev et Yasufumi Takahashi au Nano Life Science Institute de l'Université de Kanazawa et Yanjun Zhang à l'Imperial College de Londres et ses collègues des institutions collaboratrices au Royaume-Uni, Chine, Japon et Russie dans un article récent. Malgré la reconnaissance croissante de l'importance du pH entourant directement une cellule en tant qu'indicateur de la santé cellulaire, les techniques de mesure restent limitées en termes de sensibilité, la résolution spatiale qu'ils peuvent offrir et la vitesse de réponse aux changements de pH. Rapports dans Communication Nature , Zhang, Takahashi et Korchev et leurs collègues décrivent un biocapteur de pH à nanopipette sensible aux changements de pH inférieurs à 0,01 unité avec un temps de réponse de 2 ms et une résolution spatiale de 50 nm.
Les chercheurs ont initialement conçu le capteur comme un transistor à effet de champ ionique à nanopipette, où les portes contrôlent le flux d'ions dans la nanopipette au lieu d'électrons. Cependant, tout en abordant les problèmes de sensibilité au pH et de résolution spatiale, les lectures de l'appareil prenaient encore quelques secondes pour répondre aux changements de pH dus aux effets de blocage ionique de Coulomb entravant le taux de diffusion des ions.
La solution Zhang, Takahashi et Korchev et leurs collègues proposent maintenant d'incorporer une membrane zwitterionique pour permettre des réponses plus rapides. En utilisant une nanopipette à double barillet avec la membrane dans un seul des barils, les chercheurs ont pu utiliser l'autre baril comme microscope à conductance ionique à balayage (SICM) pour des mesures topologiques simultanées.
L'équipe a testé l'appareil sur des cellules cancéreuses vivantes et a montré comment l'appareil pouvait détecter les augmentations du pH extracellulaire à partir de phénotypes invasifs de cellules cancéreuses du sein qui avaient été privées d'œstrogènes. Ils pourraient également détecter les changements de pH des algues exposées au soleil, causée par l'absorption de carbone inorganique dans la photosynthèse, ainsi que l'identification des hétérogénéités dans les cellules de mélanome agressives à partir de cartes de pH haute résolution.
Mettre en évidence la cartographie dynamique 3-D du pH extracellulaire contrôlée par rétroaction en temps réel que permet leur outil, et les hétérogénéités des cellules cancéreuses qu'il peut détecter « sans marqueur et à résolution subcellulaire », concluent-ils, « Cette méthode pourrait aider au diagnostic du cancer, pronostic, et dans l'évaluation des thérapies ciblées à pH acide [pH extracellulaire]."
Cartographie du pHe 3D haute résolution de cellules de mélanome vivantes avec une nanosonde SICM-pH à double barillet contrôlée par rétroaction. Les images topographiques 3D SICM (colonne de gauche) et les distributions de pHe 3D (colonne de droite) du mélanome vivant à faible tampon A375M obtenues simultanément par un seul balayage SICM, qui a démontré un modèle de distribution très varié du pHe. Les barres d'échelle représentent 20 um. Avec l'aimable autorisation de Communication Nature Crédit :Université de Kanazawa
Limites des techniques précédentes
Les sondes de pH les plus couramment utilisées à l'heure actuelle sont basées sur des microélectrodes qui sont assez grandes par rapport à l'échelle des fluctuations de pH d'intérêt dans les études de pH extracellulaire. Des alternatives ont été basées sur des changements dans la fluorescence des molécules, Imagerie par résonance magnétique nucléaire et tomodensitométrie par émission de positons. Cependant, la surveillance de la fluorescence est soumise au bruit de fond et au photoblanchiment, et les autres techniques ont une mauvaise résolution spatiale et posent des difficultés de quantification car elles sont basées sur la distribution de sondes au sein des tissus.
En utilisant une nanopipette comme transistor à effet de champ ionique, les chercheurs ont pu surmonter la plupart des problèmes limitant les techniques précédentes. Cependant, la répulsion mutuelle de la même charge conduit à l'effet de blocage de Coulomb, qui commence à inhiber la diffusion des molécules d'eau protonées chargées positivement dans la nanopipette et cela ralentit le temps de réponse.
Membrane zwitterionique
Un zwitterion est une molécule non chargée contenant des groupes fonctionnels chargés de manière opposée. Pour la membrane zwitterionique dans la nanopipette, les chercheurs auto-assemblent un hydrogel à partir de poly-l-lysine (PLL) et de glucose oxydase (GOx), ce qui présente des avantages en termes de coût et de stabilité. La PLL a des groupes amine quaternaire chargés positivement et le GOx a un groupe résidu d'acide carboxylique chargé négativement. La présence de vapeur de glutaraldéhyde peut alors réticuler l'hydrogel PLL/GOx résultant.
À pH neutre, la membrane zwitterionique présente à la fois des groupes fonctionnels chargés positivement et négativement, mais dans des conditions de pH faible, les groupes amine positifs dominent de sorte que les anions négatifs diffusent préférentiellement à travers la membrane en évitant un blocage ionique de Coulomb.
