Fotonisk krystalforstærket mikroskop kaster lys over sårheling og kræftmetastase

University of Illinois Electrical &Computer Engineering and Bioengineering Professor Brian Cunninghams Nano Sensors-gruppe har opfundet en ny billedcelle-billeddannelsesmetode, der en dag kan hjælpe biologer med bedre at forstå, hvordan stamceller omdannes til specialiserede celler, og hvordan sygdomme som kræft spredes. Deres Photonic Crystal Enhanced Microscope (PCEM) er i stand til at overvåge og kvantitativt måle celleadhæsion, en kritisk proces involverede cellemigration, celledifferentiering, celledeling, og celledød.

"Vores tilgang er vigtig, fordi der i øjeblikket ikke findes etiketfrie og højopløselige billedværktøjer, der gør det muligt at kvantificere celleoverflade-interaktioner og afbilde dynamisk, selvom disse processer er grundlæggende for ting som sårheling, vævsudvikling, tumor invasion, og kræftmetastase, "sagde Brian Cunningham, professor i elektroteknik og computerteknik og bioingeniør i Illinois.

De fleste konventionelle billeddannelsesmetoder er afhængige af fluorescerende farvestoffer, som fastgøres til og belyser cellekomponenterne, så de er synlige under et mikroskop. Imidlertid, fluorescerende mærkning har sine begrænsninger - nemlig at den er invasiv, vanskelig for kvantitativ måling, og giver kun et kort tidsvindue til celleundersøgelse og måling på grund af fotoblegning.

Ved at bruge PCEM, forskerne har med succes målt den effektive massetæthed af cellemembraner under stamcelledifferentiering, og kræftcellerespons på lægemidler i en længere periode. Deres resultater, "Kvantitativ billeddannelse af cellemembranassocieret effektiv massetæthed ved hjælp af Photonic Crystal Enhanced Microscopy, "blev rapporteret i journalen Fremskridt inden for kvanteelektronik , (November 2016, Bind 50).

Ifølge PCEM -lederforsker Yue Zhuo, en postdoktor Beckman Institute Fellow, fluorescerende mærkning tillader ikke forskere at se, hvordan et protein eller en celle ændrer sig over tid.

"Du kan se cellen i måske et par timer maksimalt, før det fluorescerende lys dør ud, men det tager flere dage at gennemføre et stamcelleeksperiment, "sagde Zhuo." Forskere bruger normalt fluorescerende mærkning, fordi der ikke er nogen bedre måde at overvåge levende celler på grund af deres lave billedkontrast mellem cellulære organeller. Det opfordrer os til at udvikle en etiketfri og højopløselig billeddannelsesmetode til levende cellestudier. "

Illinois -teamets mikroskop fungerer med en LED -lyskilde og en fotonisk krystalbiosensor fremstillet af billige materialer som titandioxid og plast ved hjælp af en fremstillingsmetode som nanoreplica -støbning.

"Vores sensor kan let fremstilles massivt, og vores omkostninger til at lave sensoren er mindre end $ 1 hver. "bemærkede Zhuo.

I Zhuos apparat, den fotoniske krystalbiosensor er en optisk sensor, der kan anvendes på alle vedhæftbare celler. Sensoroverfladen er belagt med ekstracellulære matrixmaterialer for at lette cellulære interaktioner, som derefter ses gennem en normal objektiv og optages med et CCD kamera.

"Fordelen ved vores PCEM -system er, at du kan se, når [levende] cellen begynder at blive knyttet til vores sensor, og vi kan kvantitativt og dynamisk måle, hvad der skete på det tidspunkt, "Sagde Zhuo." Vi er faktisk i stand til at måle et meget tyndt lag på bunden af ​​cellen, der er omkring 100 nanometer, som ligger ud over diffraktionsgrænsen for synligt lys. "

I fremtiden, Zhuo planlægger at udstyre mikroskopet med en højere billedopløsning og håber en dag at kunne bygge et bibliotek med celleadhæsionsdata for forskere.

"Forskellige celletyper vil have forskellige dynamiske vedhæftningsprofiler." forklarede hun. "Vi kan bruge dette bibliotek til at screene forskellige celletyper til vævsregenerering, sygdomsdiagnosticering, eller medicinbehandling, for eksempel, se hvordan syge celler spredes, eller se, hvordan kræftcellerne reagerer på forskellig lægemiddelbehandling. "