Sonda invisível monitora atividade de células vivas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/04/2010

A sonda celular fixa-se fortemente na membrana da célula. A membrana está representada pelas esferas azuis, com a porção hidrofóbica destacada pelas linhas azuis. A parte de silício da sonda está em preto e as camadas de cromo estão em tons de cinza. A camada de ouro está obscurecida pelos átomos de carbono necessários para torná-la hidrofóbica.
[Imagem: Benjamin Almquist]

Pela primeira vez, cientistas conseguiram implantar um dispositivo inorgânico na parede externa de uma célula sem danificá-la.

O sensor celular permite detectar desde os sinais transmitidos entre as células para se comunicarem até seus "roncos digestivos" e a forma como elas reagem a medicações.

Observar células vivas

A sonda nanométrica foi projetada para deslizar sobre a parede celular e se fundir com ela, podendo monitorar a atividade elétrica interna de células individuais por até uma semana.

Os métodos atualmente disponíveis para sondar uma célula são tão destrutivos que normalmente só permitem algumas horas de observação antes da célula morrer.

A característica-chave da concepção dessa nova sonda celular é que ela imita as passagens naturais da membrana celular.

Até agora, fazer uma inserção na membrana de uma célula dependia principalmente de força bruta, explica o Dr. Nicholas Melosh, da Universidade de Stanford, que desenvolveu as sondas celulares em conjunto com seu colega Benjamin Almquist.

"Nós podemos basicamente fazer buracos nas células usando sucção, ou nós podemos usar alta tensão para furar suas membranas, dois métodos que são bastante destrutivos. Muitas das células não sobrevivem." diz ele, ressaltando que isso limita a duração das observações, particularmente as medições elétricas das funções celulares.

Implantes e próteses neurais

Como não afeta as funções celulares, além de monitorar as atividade inter e intracelular, a sonda poderá servir como um canal para a introdução de moléculas - candidatas a medicamentos, por exemplo - no interior da célula.

Isso hoje é muito difícil de fazer devido aos fortes mecanismos de defesa natural da célula.

Outra possibilidade de uso da sonda é na fixação de próteses neurais, tais como braços artificiais, que são controlados pelos músculos peitorais, em implantes cerebrais utilizados para controlar equipamentos robóticos ou em terapias experimentais de tratamento de desordens neuropsicológicas, como a depressão.

Sondas invisíveis

As sondas de 600 nanômetros de comprimento, feitas de silício e metal, integram-se tão bem às membranas celulares que os pesquisadores apelidaram-nas de "sondas invisíveis", em uma referência aos aviões capazes de refletir ou absorver as ondas eletromagnéticas dos radares.

"As sondas fundem-se nas membranas espontaneamente, formando junções muito fortes," diz Melosh.

Embora essa forte junção signifique que é virtualmente impossível retirar a sonda depois que ela é introduzida na membrana, esta é uma propriedade altamente desejável para os implantes neurais, que devem manter uma conexão firme e constante com os neurônios.

Porteiro celular

A sonda é feita com um minúsculo fio de silício, no topo do qual foram aplicadas três camadas metálicas - uma camada de ouro entre duas camadas de cromo. Como o cromo é naturalmente hidrofílico, foi necessário apenas revestir a camada de ouro com moléculas de carbono, tornando a camada hidrofóbica.
[Imagem: Almquist et al./Pnas]

A chave para a inserção da sonda na célula - e da propensão da membrana celular em retê-la - é um tipo de proteína encontrada naturalmente na parede celular e que funciona como uma espécie de porteiro, controlando as moléculas que podem entrar ou sair da célula.

A membrana celular é essencialmente uma fortaleza. O interior da própria parede celular é uma zona hidrofóbica, que repele água. Como quase todas as moléculas em um ser vivo são solúveis em água, a região hidrofóbica funciona como uma barreira para evitar que as moléculas escorreguem através da parede celular.

A única maneira de entrar ou sair da célula é através das proteínas especializadas que formam pontes através da membrana.

Essas proteínas "transmembrana" possuem uma estrutura que coincide com a arquitetura da membrana, com uma seção central hidrofóbica delimitada por duas camadas hidrofílicas.

"O que nós fizemos foi construir uma versão inorgânica de uma dessas proteínas da membrana, capaz de ficar na membrana sem destrui-la," explica Melosh. "Agora nós podemos vislumbrar a sua utilização para construir o nosso próprio porteiro para o interior da célula."

Sonda celular

A sonda é feita com um minúsculo fio de silício, no topo do qual foram aplicadas três camadas metálicas - uma camada de ouro entre duas camadas de cromo. Como o cromo é naturalmente hidrofílico, foi necessário apenas revestir a camada de ouro com moléculas de carbono, tornando a camada hidrofóbica.

Além do material, a espessura das camadas é importante para corresponder à estrutura em sanduíche da própria membrana. "Obter essa banda hidrofóbica com apenas alguns nanômetros de espessura foi um desafio técnico incrível," diz Melosh. Ele e seu colega tiveram que desenvolver uma técnica para isso, uma vez que os métodos disponíveis não ofereciam a precisão exigida.

O próximo passo da pesquisa é demonstrar a funcionalidade da sonda em células de animais vivos. Almquist e Melosh estão agora trabalhando com glóbulos vermelhos do sangue e com células do câncer cervical, bem como células de ovário de uma espécie de hamster.

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