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Fulmini all'interno delle celle
Utilizzando nuove nanoparticelle sensibili al voltaggio, i ricercatori hanno scoperto campi elettrici all'interno delle cellule forti quanto quelli prodotti nei fulmini. In precedenza, era possibile misurare i campi elettrici solo attraverso le membrane cellulari, non all'interno della massa principale delle cellule. Non è chiaro cosa causi questi campi forti o cosa potrebbero significare. Ma ora che è possibile misurarli, i ricercatori sperano di conoscere gli stati patologici come il cancro studiando questi campi elettrici.
La cella elettrica: Incapsulati in un guscio polimerico di soli 30 nanometri di diametro, i coloranti sensibili al voltaggio (rosso) emettono luce rossa e verde quando illuminati con luce blu. Questi coloranti incapsulati consentono di misurare i campi elettrici all'interno delle cellule.
Ricercatori dell'Università del Michigan guidati dal professore di chimica Raoul Kopelman coloranti sensibili al voltaggio incapsulati in sfere polimeriche di appena 30 nanometri di diametro. Quando illuminati con luce blu, i coloranti sensibili alla tensione emettono una miscela di luce rossa e verde; l'esatta frequenza della luce emessa è influenzata dalla forza dei campi elettrici locali, consentendo ai ricercatori di misurare quei campi. Testando queste nanoparticelle nel fluido interno delle cellule cancerose del cervello, Kopelman ha trovato campi elettrici forti come 15 milioni di volt per metro, forse cinque volte più forti del campo trovato in un fulmine.
Hanno sviluppato uno strumento che consente di osservare i cambiamenti cellulari a livello molto locale, afferma Piotr Grodzinski , direttore del National Cancer Institute Alliance for Nanotechnology in Cancer . Le tecniche tradizionali per lo studio delle malattie a livello dei tessuti mediano le differenze tra le cellule. Grodzinski afferma che molti sviluppi nella ricerca sul cancro negli ultimi anni sono stati più reattivi, lavorando allo sviluppo di strumenti diagnostici per contrarre la malattia nelle sue fasi iniziali e per prevedere meglio a quali farmaci risponderanno i pazienti. Nonostante i progressi compiuti dai trattamenti contro il cancro, il modo in cui il cancro progredisce a livello cellulare non è ancora molto ben compreso. Con una migliore comprensione, i ricercatori sperano di migliorare ulteriormente la diagnostica e l'assistenza personalizzata. Questo sviluppo rappresenta un tentativo di iniziare a utilizzare strumenti su scala nanometrica per capire come si sviluppa la malattia, afferma Grodzinski.
Jerry S.H. Lee , un project manager di nanotecnologia anche presso il National Cancer Institute, afferma che la ricerca di Kopelman rafforza la serie di strumenti su scala nanometrica che gli scienziati stanno sviluppando per sondare le proprietà fisiche delle cellule, come speciali sonde microscopiche per misurare la rigidità cellulare. (Vedi La sensazione delle cellule cancerose.) Nell'ultimo decennio, i ricercatori hanno migliorato la diagnosi del cancro esaminando i marcatori proteici e le firme genetiche. Ora stanno pensando a come la nanotecnologia può creare strumenti per esaminare ulteriori firme come i campi elettrici, afferma Lee.
I coloranti sensibili al voltaggio non sono nuovi. Per decenni, i neuroscienziati li hanno usati per misurare le tensioni attraverso le membrane cellulari negli studi su come le cellule nervose generano e rispondono alle cariche elettriche. Ma Kopelman afferma che non è possibile controllare il posizionamento di questi coloranti nelle cellule. Sono idrofobi e si aggregano nelle membrane cellulari, quindi non è stato possibile usarli per studiare il citosol, la maggior parte dell'interno della cellula. Kopelman dice anche che questi coloranti potrebbero reagire con enzimi e altre molecole nelle cellule. I suoi coloranti incapsulati non sono idrofobici e possono funzionare ovunque nella cellula, non solo nelle membrane. Poiché è possibile posizionare i suoi coloranti incapsulati in una cella con un maggiore grado di controllo, Kopelman li paragona ai voltmetri. I nanovoltmetri non perturbano l'ambiente [cellulare] e puoi controllare dove li metti, dice.
L'esistenza di forti campi elettrici attraverso le membrane cellulari è accettata come un fatto fondamentale della biologia cellulare. Il mantenimento di gradienti di molecole cariche e ioni consente molte funzioni cellulari, dal controllo del volume cellulare alle scariche elettriche delle cellule nervose e muscolari.
Il fatto che le cellule abbiano campi elettrici interni, tuttavia, è sorprendente. Kopelman ha presentato i suoi risultati alla riunione annuale del Società americana di biologia cellulare questo mese. Non c'è stato scetticismo riguardo alle misurazioni, afferma Kopelman. Ma non abbiamo un'interpretazione.
Daniel Chu dell'Università di Washington a Seattle concorda sul fatto che il lavoro di Kopelman fornisce la prova del concetto che le cellule hanno campi elettrici interni. È destinato a essere importante, ma nessuno l'ha ancora guardato, dice Chu.
Grodzinski afferma che un'applicazione interessante dei voltmetri sarà quella di esaminare se c'è una differenza nei segnali elettrici tra cellule sane e malate e se i diversi stadi della malattia potrebbero avere caratteristiche elettriche. Per valutare la fattibilità della tecnica, i ricercatori dovranno iniziare a collegarla alla biologia studiando le linee cellulari della clinica, afferma Grodzinski. Questa è una prima dimostrazione.