Lysemitterende bioprobe passer i en enkelt celle

Hvis ingeniører i Stanford har deres vilje, biologisk forskning kan snart blive transformeret af en ny klasse lysemitterende sonder, der er små nok til at blive injiceret i individuelle celler uden at skade værten. Velkommen til biophotonics, en disciplin ved sammenløbet af teknik, biologi og medicin, hvor lysbaserede apparater-lasere og lysemitterende dioder (LED'er)-åbner nye veje for undersøgelse og indflydelse af levende celler.

Holdet beskrev deres sonde i et papir, der blev offentliggjort 13. februar online af tidsskriftet Nano bogstaver . Det er den første undersøgelse, der viser, at sofistikerede konstruerede lysresonatorer kan indsættes inde i celler uden at beskadige cellen. Selv med en resonator indlejret indeni, en celle er i stand til at fungere, migrere og reproducere som normalt.

Ansøgninger og implikationer

Forskerne kalder deres enhed en "nanobeam, "fordi den ligner en stål-I-bjælke med en række runde huller ætset gennem midten. Disse bjælker, imidlertid, er ikke massive, men måler kun et par mikron i længden og kun et par hundrede nanometer i bredde og tykkelse. Det ligner lidt et stykke fra et rejsesæt af gammelt. Hullerne gennem bjælkerne fungerer som en nanoskala med spejle, fokusere og forstærke lys i midten af ​​strålen i såkaldte fotoniske hulrum. Disse er byggestenene til nanoskala lasere og lysdioder.

"Enheder som de fotoniske hulrum, vi har bygget, er muligvis de mest forskelligartede og tilpasselige ingredienser i fotonik, "sagde avisens seniorforfatter, Jelena Vuckovic, professor i elektroteknik. "Ansøgninger spænder fra grundlæggende fysik til nanolasere og biosensorer, der kan have stor indflydelse på biologisk forskning."

På mobilniveau, en nanobeam virker som en nål, der er i stand til at trænge ind i cellevægge uden skade. Når den er indsat, strålen udsender lys, giver et bemærkelsesværdigt udvalg af forskningsapplikationer og implikationer. Mens andre grupper har vist, at det er muligt at indsætte simple nanorør og elektriske nanotråde i celler, ingen havde endnu indset så komplicerede optiske komponenter inde i biologiske celler.

"Vi synes, at dette er et ganske dramatisk skift fra eksisterende applikationer og vil muliggøre udvidede muligheder for at forstå og påvirke cellulær biologi, "sagde avisens første forfatter Gary Shambat, en ph.d. -kandidat i elektroteknik. Shambat arbejder på Nanoscale and Quantum Photonics Lab instrueret af Vuckovic.

Jern til en magnet

I dette tilfælde, de undersøgte celler kom fra en prostatatumor, angiver mulig anvendelse af sonden i kræftforskning. Den primære og mest umiddelbare anvendelse ville være i realtidsmåling af specifikke proteiner i cellerne, men sonden kunne tilpasses til at registrere alle vigtige biomolekyler, såsom DNA eller RNA.

For at opdage disse nøglemolekyler, forskere dækker sonden med visse organiske molekyler eller antistoffer, der vides at tiltrække målproteinerne, ligesom jern til en magnet. Hvis de ønskede proteiner er til stede i cellen, de begynder at akkumulere på sonden og forårsage et let, men påviseligt skift i bølgelængden af ​​det lys, der udsendes fra enheden. Dette skift er en positiv indikation på, at proteinet er til stede, og i hvilken mængde.

"Lad os sige, at du har en undersøgelse, der er interesseret i, om et bestemt lægemiddel producerer eller hæmmer et specifikt protein. Vores biosensor ville fortælle endegyldigt, om stoffet fungerede, og hvor godt baseret på farven på lyset fra sonden. Det ville være ganske et stærkt værktøj, "forklarede Sanjiv Sam Gambhir, MD, medforfatter af papiret og formand for Institut for Radiologi ved Stanford School of Medicine samt direktør for Stanford's Canary Center for Early Cancer Detection.

Som sådan, integrerede optiske sensorer i nanoskala ville repræsentere en vigtig udvikling i jagten på patientspecifikke kræftbehandlinger-ofte omtalt som personlig medicin-hvor lægemidler er målrettet patienten baseret på effektivitet.

En smart struktur

Strukturelt, den nye enhed er en sandwich af ekstremt tynde lag af halvlederen galliumarsenid vekslet med tilsvarende tynde lag af lysemitterende krystal, en slags fotonisk brændstof kendt som kvantepunkter. Strukturen er skåret ud af chips eller wafers, ligesom skulpturer er mejslet ud af sten. En gang skulptureret, enhederne forbliver bundet til det tykke substrat.

Shambat og hans medingeniører har arbejdet på lignende optiske enheder til brug i ultrahurtige, ultraeffektive computerapplikationer, hvor det er ikke så vigtigt at have enheder immobiliseret på chips og wafers, da de i sidste ende vil blive integreret med mikroelektronik.

Til biologiske anvendelser, imidlertid, den tykke, tungt substrat udgør en alvorlig hindring for grænseflade med enkeltceller. De underliggende og altafgørende nanokaviteter er låst på plads på det stive materiale og ude af stand til at trænge ind i cellevægge.

Shambats gennembrud kom, da han var i stand til at skrælle de fotoniske nanostråler væk, efterlader den omfangsrige skive bagved. Derefter limede han den ultratynde fotoniske enhed til et fiberoptisk kabel, hvormed han styrer den nålelignende sonde mod og ind i cellen.

Tilsvarende forudse, at galliumarsenid kan være giftigt for celler, Shambat udtænkte også en smart måde at indkapsle sine enheder i en tynd, elektrisk isolerende belægning af aluminiumoxid og zirkoniumoxid. Belægningen tjener to formål:Den beskytter både cellen mod det potentielt giftige galliumarsenid og beskytter sonden mod nedbrydning i cellemiljøet.

"Fantastiske" resultater

Når den er indsat i cellen, sonden udsender lys, som kan observeres udefra. For ingeniører, det betyder, at næsten enhver aktuel applikation eller brug af disse kraftfulde fotoniske enheder kan oversættes til det tidligere off-limits miljø i celleinteriøret.

I et fund, som forfatterne beskriver som fantastisk, de indlæste deres nanobalker i celler og så på, hvordan cellerne voksede, vandret rundt i forskningsmiljøet og gengivet. Hver gang en celle delte sig, en af ​​dattercellerne arvede nanobeamet fra forælderen, og strålen fortsatte med at fungere som forventet.

Denne arvelighed gør det muligt for forskere at studere levende celler over lange perioder, en forskningsfordel ikke mulig med eksisterende detektionsteknikker, som kræver, at celler enten er døde eller fastgjort på plads.

"Vores nanoskala prober kan opholde sig i celler i lange perioder, muligvis give sensorfeedback eller give kontrolsignaler til cellerne nede ad vejen, "sagde Shambat." Vi sporede en celle i otte dage. Det er lang tid for et enkeltcellet studie. "