211service.com
Blixtar i celler
Med hjälp av nya spänningskänsliga nanopartiklar har forskare funnit elektriska fält inuti celler lika starka som de som produceras i blixtar. Tidigare har det bara varit möjligt att mäta elektriska fält över cellmembran, inte inom huvudmassan av celler. Det är inte klart vad som orsakar dessa starka fält eller vad de kan betyda. Men nu när det är möjligt att mäta dem hoppas forskarna lära sig om sjukdomstillstånd som cancer genom att studera dessa elektriska fält.
Den elektriska cellen: Inkapslat i ett polymerskal bara 30 nanometer tvärs över, spänningskänsliga färgämnen (röda) avger rött och grönt ljus när de belyses med blått ljus. Dessa inkapslade färgämnen gör det möjligt att mäta elektriska fält inuti celler.
University of Michigan forskare under ledning av kemiprofessor Raoul Kopelman inkapslade spänningskänsliga färgämnen i polymersfärer på bara 30 nanometer i diameter. När de belyses med blått ljus avger de spänningskänsliga färgämnena en blandning av rött och grönt ljus; den exakta frekvensen av ljus som sänds ut påverkas av styrkan hos lokala elektriska fält, vilket gör det möjligt för forskarna att mäta dessa fält. Genom att testa dessa nanopartiklar i den inre vätskan i hjärncancerceller fann Kopelman elektriska fält så starka som 15 miljoner volt per meter, kanske fem gånger starkare än fältet i en blixt.
De har utvecklat ett verktyg som låter dig titta på cellförändringar på en mycket lokal nivå, säger Piotr Grodzinski , chef för National Cancer Institute Alliance for Nanotechnology in Cancer . Traditionella tekniker för att studera sjukdomar på vävnadsnivå utvärderar skillnader mellan celler. Grodzinski säger att många utvecklingar inom cancerforskningen under de senaste åren har varit mer reaktiva, och arbetat mot att utveckla diagnostik för att fånga sjukdomen i dess tidigare stadier och för att bättre förutsäga vilka läkemedel patienter kommer att svara på. Trots hur långt cancerbehandlingar har kommit, är det sätt som cancer fortskrider på cellnivå fortfarande inte särskilt väl förstått. Med en bättre förståelse hoppas forskarna kunna förbättra diagnostik och personlig vård ytterligare. Den här utvecklingen representerar ett försök att börja använda verktyg i nanoskala för att förstå hur sjukdomar utvecklas, säger Grodzinski.
Jerry S.H. Lä , en projektledare för nanoteknik också vid National Cancer Institute, säger att Kopelmans forskning stärker uppsättningen av verktyg i nanoskala som forskare utvecklar för att undersöka cellers fysiska egenskaper, såsom speciella mikroskopiska sonder för att mäta cellstyvhet. (Se Känslan av cancerceller.) Under det senaste decenniet har forskare förbättrat cancerdiagnostik genom att undersöka proteinmarkörer och genetiska signaturer. Nu tänker de på hur nanoteknik kan göra verktyg för att titta på ytterligare signaturer som elektriska fält, säger Lee.
Spänningskänsliga färgämnen är inte nya. I decennier har neuroforskare använt dem för att mäta spänningar över cellmembran i studier av hur nervceller genererar och svarar på elektriska laddningar. Men Kopelman säger att det inte är möjligt att kontrollera placeringen av dessa färgämnen i celler. De är hydrofoba och aggregeras i cellmembran, så det har inte varit möjligt att använda dem för att studera cytosolen, huvuddelen av cellens inre. Kopelman säger också att dessa färgämnen kan reagera med enzymer och andra molekyler i celler. Hans inkapslade färgämnen är inte hydrofoba och kan fungera var som helst i cellen, inte bara i membran. Eftersom det är möjligt att placera sina inkapslade färgämnen i en cell med en högre grad av kontroll, liknar Kopelman dem vid voltmetrar. Nanovoltmetrar stör inte [den cellulära] miljön, och du kan kontrollera var du placerar dem, säger han.
Förekomsten av starka elektriska fält över cellmembran accepteras som ett grundläggande faktum inom cellbiologi. Att bibehålla gradienter av laddade molekyler och joner möjliggör många cellulära funktioner, från kontroll över cellvolymen till de elektriska urladdningarna från nerv- och muskelceller.
Det faktum att celler har interna elektriska fält är dock förvånande. Kopelman presenterade sina resultat vid årsmötet American Society for Cell Biology den här månaden. Det har inte funnits någon skepsis till mätningarna, säger Kopelman. Men vi har ingen tolkning.
Daniel Chu från University of Washington i Seattle håller med om att Kopelmans arbete ger bevis på att celler har interna elektriska fält. Det kommer säkert att vara viktigt, men ingen har tittat på det ännu, säger Chu.
Grodzinski säger att en intressant tillämpning av voltmetrarna kommer att vara att undersöka om det finns en skillnad i elektriska signaler mellan friska och sjuka celler, och om olika sjukdomsstadier kan ha karakteristiska elektriska signaturer. För att bedöma teknikens lönsamhet måste forskarna börja knyta den till biologi genom att studera cellinjer från kliniken, säger Grodzinski. Detta är en första demonstration.