Et enkeltcellet endoskop:Forskere bruger nanofotonik til optisk kig inde i levende celler

(PhysOrg.com) -- Et endoskop, der kan give optiske billeder i høj opløsning af det indre af en enkelt levende celle, eller præcist levere gener, proteiner, terapeutiske lægemidler eller anden last uden at skade eller beskadige cellen, er udviklet af forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Denne meget alsidige og mekanisk robuste nanotråd-baserede optiske sonde kan også anvendes til biosensing og enkeltcellet elektrofysiologi.

Et team af forskere fra Berkeley Lab og University of California (UC) Berkeley fastgjorde en tinoxid nanotrådbølgeleder til den tilspidsede ende af en optisk fiber for at skabe et nyt endoskopsystem. Lys, der rejser langs den optiske fiber, kan effektivt kobles ind i nanotråden, hvor det genudsendes til det frie rum, når det når spidsen. Nanotrådsspidsen er ekstremt fleksibel på grund af dens lille størrelse og høje billedformat, alligevel kan tåle gentagne bøjninger og bøjninger, så den kan bruges flere gange.

"Ved at kombinere fordelene ved nanowire-bølgeledere og fiberoptisk fluorescensbilleddannelse, vi kan manipulere lys på nanoskala inde i levende celler for at studere biologiske processer i enkelte levende celler med høj rumlig og tidsmæssig opløsning, " siger Peidong Yang, en kemiker hos Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede denne forskning. "Vi har vist, at vores nanotråd-baserede endoskop også kan detektere optiske signaler fra subcellulære områder og, gennem lysaktiverede mekanismer, kan levere nyttelast ind i celler med rumlig og tidsmæssig specificitet."

Yang, som også har aftaler med University of California Berkeley's Chemistry Department og Department of Materials Science and Engineering, er den tilsvarende forfatter til en artikel i tidsskriftet Natur nanoteknologi beskriver dette arbejde med titlen "Nanowire-based single-cell endoscopy." Medforfatter af papiret var Ruoxue Yan, Ji-Ho Park, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang og Luke Lee.

På trods af betydelige fremskridt inden for elektron- og scanningprobemikroskopi, mikroskopi med synligt lys forbliver arbejdshesten til studiet af biologiske celler. Fordi celler er optisk gennemsigtige, de kan afbildes ikke-invasivt med synligt lys i tre dimensioner. Også, synligt lys tillader fluorescerende mærkning og påvisning af cellulære bestanddele, såsom proteiner, nukleinsyrer og lipider. Den eneste ulempe ved billeddannelse af synligt lys i biologi har været diffraktionsbarrieren, som forhindrer synligt lys i at opløse strukturer mindre end halvdelen af ​​det indfaldende lyss bølgelængde. Nylige gennembrud inden for nanofotonik har gjort det muligt at overvinde denne barriere og bringe subcellulære komponenter til syne med optiske billeddannelsessystemer. Imidlertid, sådanne systemer er komplekse, dyre og, mærkeligt nok, omfangsrig i størrelsen.

"Tidligere vi havde vist, at dielektriske nanotrådsbølgeledere med subbølgelængde effektivt kan transportere ultraviolet og synligt lys i luft og væskemedier, " siger Yang. "Ved at inkorporere en af ​​vores nanofotoniske komponenter i en enkel, lavpris, bordtop fiberoptisk opsætning, vi var i stand til at miniaturisere vores endoskopiske system."

For at teste deres nanowire-endoskop som en lokal lyskilde til subcellulær billeddannelse, Yang og hans medforfattere koblede den optisk til en excitationslaser og bølgelede derefter blåt lys hen over membranen og ind i det indre af individuelle HeLa-celler, den mest almindeligt anvendte udødeliggjorte humane cellelinje til videnskabelig forskning.

"Det optiske output fra endoskopemissionen var tæt begrænset til nanotrådsspidsen og tilbød derved meget retningsbestemt og lokaliseret belysning, " siger Yang. "Indsættelsen af ​​vores tinoxid nanotråd i cellens cytoplasma

fremkaldte ikke celledød, apoptose, betydelig cellulær stress, eller membransprængning. I øvrigt, belysning af det intracellulære miljø af HeLa-celler med blåt lys ved hjælp af nanoproben skadede ikke cellerne, fordi belysningsvolumenet var så lille, ned til picoliter-skalaen."

Efter at have demonstreret biokompatibiliteten af ​​deres nanowire-endoskop, Yang og hans medforfattere testede derefter dens evner til at levere nyttelast til bestemte steder inde i en celle. Mens kulstof- og bornitrid-nanorør-baserede enkeltcellede leveringssystemer er blevet rapporteret, disse systemer lider af leveringstider, der spænder fra 20 til 30 minutter, plus en mangel på tidsmæssig kontrol over leveringsprocessen. For at overvinde disse begrænsninger, Yang og hans medforfattere vedhæftede kvanteprikker til tinoxid-nanowire-spidsen af ​​deres endoskop ved hjælp af fotoaktiverede linkere, der kan spaltes af ultraviolet stråling med lav effekt. Inden for et minut, deres funktionaliserede nanowire-endoskop var i stand til at frigive sin kvantepriklast til de målrettede intracellulære steder.

"Konfokal mikroskopisk scanning af cellen bekræftede, at kvanteprikkerne med succes blev leveret forbi den fluorescerende mærkede membran og ind i cytoplasmaet, " siger Yang. "Fotoaktivering for at frigive prikkerne havde ingen signifikant effekt på cellelevedygtighed."

Det stærkt retningsbestemte blå laserlys blev brugt til at excitere en af ​​to kvanteprikklynger, der kun var placeret to mikrometer fra hinanden. Med det stramme belysningsområde og lille adskillelse mellem lyskilden og prikkerne, lav baggrundsfluorescens og høj billedkontrast blev sikret.

"I fremtiden, ud over optisk billeddannelse og fragtlevering, vi kunne også bruge dette nanowire-endoskop til elektrisk eller optisk at stimulere en levende celle, " siger Yang.

Nanotrådene, der blev brugt i disse eksperimenter, blev oprindeligt udviklet til at studere størrelsesafhængige nye elektroniske og optiske egenskaber til energianvendelser.