Une sonde à l'échelle nanométrique conçue pour se glisser dans une paroi cellulaire et fusionner avec elle pourrait offrir aux chercheurs un portail pour une écoute prolongée de l'activité électrique interne des cellules individuelles.

Tout, des signaux générés lorsque les cellules communiquent entre eux aux "grondements digestifs" lorsque les cellules réagissent aux médicaments, pourrait être surveillé jusqu'à une semaine, disent les ingénieurs de Stanford.

Les méthodes actuelles de sondage d'une cellule sont si destructrices qu'elles ne permettent généralement que quelques heures d'observation avant que la cellule ne meure. Les chercheurs sont les premiers à implanter un dispositif inorganique dans une paroi cellulaire sans l'endommager.

La principale caractéristique de conception de la sonde est qu'elle imite les passerelles naturelles dans la membrane cellulaire, dit Nick Melosh, un professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux dans le laboratoire duquel la recherche a été effectuée. Avec modif, la sonde pourrait servir de conduit pour insérer un médicament dans l'intérieur fortement défendu d'une cellule, il a dit. Il pourrait également fournir une méthode améliorée de fixation de prothèses neurales, tels que les bras artificiels contrôlés par les muscles pectoraux, ou implants cérébraux profonds utilisés pour traiter la dépression.

Le long de 600 nanomètres, la sonde en silicium revêtue de métal s'est intégrée si facilement dans les membranes du laboratoire, les chercheurs l'ont baptisé la sonde « furtive ».

"Les sondes fusionnent spontanément dans les membranes et forment bien, des jonctions fortes là-bas, " a dit Melosh. L'attachement est si fort, il a dit, "Nous ne pouvons pas les retirer. La membrane continuera à se déformer plutôt que de lâcher les sondes."

Melosh et Benjamin Almquist, un étudiant diplômé en science et génie des matériaux, sont co-auteurs d'un article décrivant la recherche publié le 30 mars dans Actes de l'Académie nationale des sciences . Le document est disponible en ligne.

Jusqu'à maintenant, percer un trou dans une membrane cellulaire a largement reposé sur la force brute, dit Meloch.

"Nous pouvons fondamentalement percer des trous dans les cellules en utilisant l'aspiration, nous pouvons utiliser la haute tension pour percer des trous dans leurs membranes, qui sont tous deux assez destructeurs, " dit-il. " Beaucoup de cellules ne survivent pas. " Cela limite la durée des observations, notamment des mesures électriques de la fonction cellulaire.

La clé de l'insertion facile de la sonde - et du désir de la membrane de la retenir - est que Melosh et Almquist ont basé sa conception sur un type de protéine naturellement présente dans les parois cellulaires qui agit comme un gardien, contrôler quelles molécules sont autorisées à entrer ou à sortir.

Une membrane cellulaire est essentiellement une forteresse fortifiée. Dans le mur lui-même est un hydrofuge, ou hydrophobe, zone. Puisque presque toutes les molécules d'un être vivant sont solubles dans l'eau, la région hydrophobe agit comme une barrière pour empêcher les molécules de glisser à travers la paroi cellulaire. Le seul moyen d'entrer ou de sortir est via les protéines spécialisées qui forment des ponts à travers la membrane.

Ces passerelles protéiques « transmembranaires » correspondent à l'architecture de la membrane, avec une section centrale hydrophobe délimitée par deux hydrosolubles, ou hydrophile, couches.

"Ce que nous avons fait, c'est créer une version inorganique de l'une de ces protéines membranaires, qui se loge dans la membrane sans la perturber, " a déclaré Melosh. " Maintenant, nous pouvons envisager de l'utiliser pour faire notre propre gardiennage. "

Pour construire leur sonde, Melosh et Almquist se sont appropriés des méthodes de nanofabrication de l'industrie des semi-conducteurs pour fabriquer de minuscules tenons en silicium, dont les extrémités sont recouvertes de trois fines couches de métal - une couche d'or entre deux de chrome - pour correspondre à la structure sandwich de la membrane. Ils ont ensuite recouvert la bande d'or de molécules de carbone pour la rendre hydrophobe; 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, dit Meloch. That, 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, " dit-il. " Cependant, 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, " il a dit.

"Idéalement, 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.