211service.com
Bliksemschichten in cellen
Met behulp van nieuwe spanningsgevoelige nanodeeltjes hebben onderzoekers elektrische velden in cellen gevonden die even sterk zijn als die in bliksemschichten. Voorheen was het alleen mogelijk om elektrische velden over celmembranen te meten, niet binnen het grootste deel van de cellen. Het is niet duidelijk wat deze sterke velden veroorzaakt of wat ze kunnen betekenen. Maar nu het mogelijk is om ze te meten, hopen onderzoekers meer te weten te komen over ziektetoestanden zoals kanker door deze elektrische velden te bestuderen.
De cel elektrisch: Ingekapseld in een polymeer omhulsel van slechts 30 nanometer breed, zenden spanningsgevoelige kleurstoffen (rood) rood en groen licht uit wanneer ze worden verlicht met blauw licht. Deze ingekapselde kleurstoffen maken het mogelijk om elektrische velden in cellen te meten.
Onderzoekers van de Universiteit van Michigan onder leiding van professor scheikunde Raoul Kopelman ingekapselde spanningsgevoelige kleurstoffen in polymeerbolletjes met een diameter van slechts 30 nanometer. Wanneer ze worden verlicht met blauw licht, zenden de spanningsgevoelige kleurstoffen een mengsel van rood en groen licht uit; de exacte frequentie van het uitgestraalde licht wordt beïnvloed door de sterkte van lokale elektrische velden, waardoor de onderzoekers die velden kunnen meten. Bij het testen van deze nanodeeltjes in de interne vloeistof van hersenkankercellen, vond Kopelman elektrische velden van wel 15 miljoen volt per meter, misschien vijf keer sterker dan het veld in een bliksemschicht.
Ze hebben een tool ontwikkeld waarmee je op heel lokaal niveau naar cellulaire veranderingen kunt kijken, zegt Piotr Grodzinski , directeur van het National Cancer Institute Alliantie voor nanotechnologie bij kanker . Traditionele technieken voor het bestuderen van ziekten op het niveau van weefsels wegen de verschillen tussen cellen uit. Grodzinski zegt dat veel ontwikkelingen in het kankeronderzoek de afgelopen jaren reactiever zijn geweest en hebben gewerkt aan de ontwikkeling van diagnostiek om de ziekte in een vroeg stadium op te vangen en om beter te voorspellen op welke medicijnen patiënten zullen reageren. Ondanks hoe ver kankerbehandelingen zijn gekomen, is de manier waarop kanker zich op cellulair niveau ontwikkelt nog steeds niet erg goed begrepen. Met een beter begrip hopen onderzoekers de diagnostiek en zorg op maat verder te verbeteren. Deze ontwikkeling vertegenwoordigt een poging om nanoschaalhulpmiddelen te gaan gebruiken om te begrijpen hoe ziekte zich ontwikkelt, zegt Grodzinski.
Jerry SH Lee , een projectmanager voor nanotechnologie ook bij het National Cancer Institute, zegt dat het onderzoek van Kopelman de reeks nanoschaalhulpmiddelen ondersteunt die wetenschappers ontwikkelen om de fysieke eigenschappen van cellen te onderzoeken, zoals speciale microscopische sondes voor het meten van celstijfheid. (Zie Het gevoel van kankercellen.) In het afgelopen decennium hebben onderzoekers de diagnose van kanker verbeterd door eiwitmarkers en genetische handtekeningen te onderzoeken. Nu denken ze na over hoe nanotechnologie hulpmiddelen kan maken om naar aanvullende handtekeningen zoals elektrische velden te kijken, zegt Lee.
Spanningsgevoelige kleurstoffen zijn niet nieuw. Decennialang hebben neurowetenschappers ze gebruikt om spanningen over celmembranen te meten in onderzoeken naar hoe zenuwcellen elektrische ladingen genereren en erop reageren. Maar Kopelman zegt dat het niet mogelijk is om de plaatsing van deze kleurstoffen in cellen te controleren. Ze zijn hydrofoob en aggregeren in celmembranen, dus het was niet mogelijk om ze te gebruiken om het cytosol, het grootste deel van het inwendige van de cel, te bestuderen. Kopelman zegt ook dat deze kleurstoffen mogelijk reageren met enzymen en andere moleculen in cellen. Zijn ingekapselde kleurstoffen zijn niet hydrofoob en kunnen overal in de cel werken, niet alleen in membranen. Omdat het mogelijk is om zijn ingekapselde kleurstoffen in een cel te plaatsen met een grotere mate van controle, vergelijkt Kopelman ze met voltmeters. Nano-voltmeters verstoren [de cellulaire] omgeving niet, en je kunt bepalen waar je ze plaatst, zegt hij.
Het bestaan van sterke elektrische velden door celmembranen wordt aanvaard als een basisfeit van de celbiologie. Het handhaven van gradiënten van geladen moleculen en ionen zorgt voor veel cellulaire functies, van controle over het celvolume tot de elektrische ontladingen van zenuw- en spiercellen.
Het feit dat cellen interne elektrische velden hebben, is echter verrassend. Kopelman presenteerde zijn resultaten op de jaarvergadering van de American Society for Cell Biology deze maand. Over de metingen bestaat geen scepsis, zegt Kopelman. Maar we hebben geen interpretatie.
Daniel Chu van de Universiteit van Washington in Seattle is het ermee eens dat het werk van Kopelman bewijs levert dat cellen interne elektrische velden hebben. Het is vast belangrijk, maar niemand heeft er nog naar gekeken, zegt Chu.
Grodzinski zegt dat een interessante toepassing van de voltmeters zal zijn om te onderzoeken of er een verschil is in elektrische signalen tussen gezonde en zieke cellen, en of verschillende ziektestadia karakteristieke elektrische handtekeningen kunnen hebben. Om de levensvatbaarheid van de techniek te meten, zullen onderzoekers het moeten koppelen aan de biologie door cellijnen uit de kliniek te bestuderen, zegt Grodzinski. Dit is een eerste demonstratie.