Sporing af celler med omnidirektionelle synlige laserpartikler

Mikrolaserpartikler er dukket op som unikke optiske prober til sporing af enkeltceller. Imidlertid, på grund af iboende retningsbestemmelse af laseremissioner, cellesporing med laserpartikler lider af hyppigt tab af cellespor. For nylig, forskere ved Harvard Medical School og Peking University placerede omnidirektionelle synlige laserpartikler i levende celler, og demonstrerede kontinuerlig rumlig sporing af enkelte celler. Teknikken vil åbne nye veje for storstilet enkeltcelleanalyse i studiet af cellulær heterogenitet.

Laserpartikler er mikrometer- og nanometerlasere i form af partikler, der er dispergerbare i vandig opløsning, som har tiltrukket sig betydelig interesse for biovidenskaben som en lovende ny optisk sonde. Laserpartikler udsender skarpt lys med ekstremt smal spektral båndbredde. Ved at overføre laserpartikler til levende celler som vist i figur 1, individuelle celler i en heterogen population kan spores ved hjælp af hver intracellulære partikels specifikke spektrale fingeraftryk som en optisk læsbar stregkode. Imidlertid, laserpartikler udsender retningsbestemt lys (figur 2) og spredes frit inde i levende celler, deres orientering varierer tilfældigt over tid. Derfor resulterer optisk udlæsning af disse etiketter i 'fyrtårnslignende' blink, fører til hyppigt tab af cellespor.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , videnskabsmænd fra professor Seok-Hyun Yuns gruppe ved Harvard Medical School, og professor Yun-Feng Xiaos gruppe ved Peking Universitet demonstrerer enkeltcellesporing med intracellulære laserpartikler konstrueret til at udsende næsten homogent i alle retninger. Omnidirektionel laseremission opnås ved at inkorporere lysspredning i mikrodiskens hulrum, som reducerer orienteringsafhængige intensitetsudsving med to størrelsesordener (figur 2), muliggør blinkfri sporing af enkeltceller under de samme forhold, hvor eksisterende teknologi lider af hyppige sporingsfejl. Den rapporterede teknik vil åbne nye veje for storskala enkeltcelleanalyse, og lette andre anvendelser af laserpartikler, såsom cellulær og biokemisk sensing og enkeltcelleanalyse i mikrofluidik.

Disse videnskabsmænd opsummerer enkeltcellemærkningsprincippet for laserpartikler:"Typisk, forskere bruger fluorescerende prober til at mærke specifikke celler, men kun få farver kan bruges på samme tid, før spektral overlapning bliver et problem. Laserpartikler er bittesmå lasere, der kan indsættes i levende celler. Disse små lasere kan designes til at producere mange flere farver, der kan skelnes. De intracellulære laserpartikler med en bestemt farve vil bevæge sig med levende celler, og derfor kan enkeltceller spores, når de bevæger sig gennem komplekse biologiske prøver, " sagde Dr. Shui-Jing Tang, en tidligere gæstestuderende ved Harvard Medical School og en nuværende Boya-postdoc-forsker ved Peking University.

"Desværre, laserpartikler udsender lys i en bestemt retning. Når partikler roterer frit over tid, mens cellen bevæger sig, deres tilsyneladende lysstyrke, set af en fotodetektor, ændrer sig dramatisk. Vi udviklede en ny slags laserpartikel, der udsender lys i alle retninger. Derfor, de rumlige cellespor kunne spores kontinuerligt, uanset hvordan hver partikel var orienteret inde i en celle, " tilføjede Paul Dannenberg, en kandidatstuderende ved Harvard Medical School.

"Den præsenterede teknik gør det muligt at detektere og identificere laserpartikler pålideligt over tid i cellesporingsapplikationer, som kunne muliggøre storskala enkeltcelleanalyse i komplekse biologiske prøver. Ud over cellesporing, vores arbejde vil lette andre anvendelser af laserpartikler, såsom cellulær og biokemisk sensing og enkeltcelleanalyse i mikrofluidik, " sagde Dr. Andreas Liapis, en forsker ved Harvard University.