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Rayos dentro de las celdas
Utilizando nuevas nanopartículas sensibles al voltaje, los investigadores han encontrado campos eléctricos dentro de las células tan fuertes como los producidos en los rayos. Anteriormente, solo era posible medir campos eléctricos a través de las membranas celulares, no dentro de la mayor parte de las células. No está claro qué causa estos campos fuertes o qué podrían significar. Pero ahora que es posible medirlos, los investigadores esperan aprender sobre enfermedades como el cáncer mediante el estudio de estos campos eléctricos.
La celda eléctrica: Encapsulados en una capa de polímero de solo 30 nanómetros de diámetro, los tintes sensibles al voltaje (rojo) emiten luz roja y verde cuando se iluminan con luz azul. Estos colorantes encapsulados permiten medir los campos eléctricos dentro de las células.
Investigadores de la Universidad de Michigan dirigidos por un profesor de química Raoul Kopelman colorantes sensibles al voltaje encapsulados en esferas de polímero de solo 30 nanómetros de diámetro. Cuando se iluminan con luz azul, los tintes sensibles al voltaje emiten una mezcla de luz roja y verde; la frecuencia exacta de la luz emitida está influenciada por la fuerza de los campos eléctricos locales, lo que permite a los investigadores medir esos campos. Al probar estas nanopartículas en el fluido interno de las células cancerosas del cerebro, Kopelman encontró campos eléctricos de hasta 15 millones de voltios por metro, quizás cinco veces más fuertes que el campo encontrado en un rayo.
Han desarrollado una herramienta que le permite observar los cambios celulares a un nivel muy local, dice Piotr Grodzinski , director del Instituto Nacional del Cáncer Alianza para la nanotecnología en el cáncer . Las técnicas tradicionales para estudiar enfermedades a nivel de tejidos promedian las diferencias entre células. Grodzinski dice que muchos avances en la investigación del cáncer en los últimos años han sido más reactivos, trabajando para desarrollar diagnósticos para detectar la enfermedad en sus primeras etapas y para predecir mejor a qué medicamentos responderán los pacientes. A pesar de lo lejos que han llegado los tratamientos contra el cáncer, todavía no se comprende muy bien la forma en que el cáncer progresa a nivel celular. Con una mejor comprensión, los investigadores esperan mejorar aún más los diagnósticos y la atención personalizada. Este desarrollo representa un intento de comenzar a usar herramientas a nanoescala para comprender cómo se desarrolla la enfermedad, dice Grodzinski.
Jerry S.H. Sotavento , gerente de proyectos de nanotecnología también en el Instituto Nacional del Cáncer, dice que la investigación de Kopelman refuerza el conjunto de herramientas a nanoescala que los científicos están desarrollando para sondear las propiedades físicas de las células, como sondas microscópicas especiales para medir la rigidez celular. (Consulte La sensación de las células cancerosas). En la última década, los investigadores han mejorado el diagnóstico del cáncer al examinar los marcadores de proteínas y las firmas genéticas. Ahora están pensando en cómo la nanotecnología puede crear herramientas para buscar firmas adicionales como campos eléctricos, dice Lee.
Los tintes sensibles al voltaje no son nuevos. Durante décadas, los neurocientíficos los han utilizado para medir los voltajes a través de las membranas celulares en estudios sobre cómo las células nerviosas se generan y responden a las cargas eléctricas. Pero Kopelman dice que no es posible controlar la colocación de estos tintes en las células. Son hidrófobos y se agregan en las membranas celulares, por lo que no ha sido posible utilizarlos para estudiar el citosol, la mayor parte del interior de la célula. Kopelman también dice que estos tintes podrían estar reaccionando con enzimas y otras moléculas en las células. Sus tintes encapsulados no son hidrofóbicos y pueden operar en cualquier parte de la célula, no solo en las membranas. Debido a que es posible colocar sus tintes encapsulados en una celda con un mayor grado de control, Kopelman los compara con voltímetros. Los nanovoltímetros no perturban el entorno [celular] y puedes controlar dónde los colocas, dice.
La existencia de fuertes campos eléctricos a través de las membranas celulares se acepta como un hecho básico de la biología celular. Mantener gradientes de moléculas e iones cargados permite muchas funciones celulares, desde el control del volumen celular hasta las descargas eléctricas de las células nerviosas y musculares.
Sin embargo, es sorprendente el hecho de que las células tengan campos eléctricos internos. Kopelman presentó sus resultados en la reunión anual de la Sociedad Americana de Biología Celular este mes. No ha habido escepticismo en cuanto a las mediciones, dice Kopelman. Pero no tenemos una interpretación.
Daniel Chu de la Universidad de Washington en Seattle está de acuerdo en que el trabajo de Kopelman proporciona una prueba del concepto de que las células tienen campos eléctricos internos. Seguro que será importante, pero nadie lo ha examinado todavía, dice Chu.
Grodzinski dice que una aplicación interesante de los voltímetros será examinar si existe una diferencia en las señales eléctricas entre las células sanas y enfermas, y si las diferentes etapas de la enfermedad pueden tener firmas eléctricas características. Para medir la viabilidad de la técnica, los investigadores deberán comenzar a vincularla a la biología mediante el estudio de líneas celulares de la clínica, dice Grodzinski. Esta es una primera demostración.