Ny mikroskopiteknik gør det muligt for forskere at visualisere celler gennem væggene i silicium mikrofluidiske enheder

Forskere ved MIT og University of Texas i Arlington (UTA) har udviklet en ny type mikroskopi, der kan afbilde celler gennem en siliciumwafer, giver dem mulighed for præcist at måle størrelsen og den mekaniske opførsel af celler bag waferen.

Den nye teknologi, som er afhængig af nær-infrarødt lys, kunne hjælpe videnskabsmænd med at lære mere om syge eller inficerede celler, når de strømmer gennem siliciummikrofluidisk enheder.

"Dette har potentialet til at fusionere forskning i cellulær visualisering med alle de spændende ting, du kan gøre på en siliciumwafer, " siger Ishan Barman, en tidligere postdoc i MIT's Laser Biomedical Research Center (LBRC) og en af ​​hovedforfatterne til et papir, der beskriver teknologien i tidsskriftets nummer 2. oktober Videnskabelige rapporter .

Andre hovedforfattere af papiret er tidligere MIT postdoc Narahara Chari Dingari og UTA kandidatstuderende Bipin Joshi og Nelson Cardenas. Seniorforfatteren er Samarendra Mohanty, en adjunkt i fysik ved UTA. Andre forfattere er tidligere MIT postdoc Jaqueline Soares, i øjeblikket assisterende professor ved Federal University of Ouro Preto, Brasilien, og Ramachandra Rao Dasari, associeret direktør for LBRC.

Silicium bruges almindeligvis til at bygge "lab-on-a-chip" mikrofluidiske enheder, som kan sortere og analysere celler baseret på deres molekylære egenskaber, samt mikroelektronik enheder. Sådanne enheder har mange potentielle anvendelser inden for forskning og diagnostik, men de kunne være endnu mere nyttige, hvis videnskabsmænd kunne afbilde cellerne inde i enhederne, siger Barmand, som nu er assisterende professor i maskinteknik ved Johns Hopkins University.

For at opnå det, Barman og kolleger udnyttede det faktum, at silicium er gennemsigtigt for infrarøde og nær-infrarøde bølgelængder af lys. De tilpassede en mikroskopiteknik kendt som kvantitativ fasebilleddannelse, som virker ved at sende en laserstråle gennem en prøve, derefter dele strålen i to. Ved at rekombinere disse to stråler og sammenligne informationen fra hver enkelt, forskerne kan bestemme prøvens højde og dens brydningsindeks - et mål for, hvor meget materialet tvinger lyset til at bøje, når det passerer igennem.

Traditionel kvantitativ fase billeddannelse bruger en helium neon laser, som frembringer synligt lys, men til det nye system brugte forskerne en titanium safir laser, der kan indstilles til infrarøde og nær-infrarøde bølgelængder. Til denne undersøgelse, fandt forskerne ud af, at lys med en bølgelængde på 980 nanometer fungerede bedst.

Ved at bruge dette system, forskerne målte ændringer i højden af ​​røde blodlegemer, med nanoskala følsomhed, gennem en siliciumwafer, der ligner dem, der bruges i de fleste elektroniklaboratorier.

Når røde blodlegemer strømmer gennem kroppen, de må ofte presse sig igennem meget smalle kar. Når disse celler er inficeret med malaria, de mister denne evne til at deformere, og danner tilstopninger i bittesmå kar. Den nye mikroskopiteknik kan hjælpe forskere med at studere, hvordan dette sker, Dingari siger; det kunne også bruges til at studere dynamikken i de misdannede blodceller, der forårsager seglcelleanæmi.

Forskerne brugte også deres nye system til at overvåge menneskelige embryonale nyreceller, da rent vand blev tilsat deres miljø - et chok, der tvinger cellerne til at absorbere vand og svulme op. Forskerne var i stand til at måle, hvor meget cellerne udvidede sig og beregne ændringen i deres brydningsindeks.

"Ingen har vist denne form for mikroskopi af cellulære strukturer før gennem et siliciumsubstrat, " siger Mohanty.

"Dette er en spændende ny retning, der sandsynligvis vil åbne enorme muligheder for kvantitativ fasebilleddannelse, " siger Gabriel Popescu, en assisterende professor i elektroteknik og datalogi ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som ikke var en del af forskerholdet.

"Mulighederne er uendelige:Fra mikro- og nanofluidiske enheder til strukturerede substrater, enhederne kunne målrette mod applikationer lige fra molekylær sansning til helcellekarakterisering og lægemiddelscreening i cellepopulationer, " siger Popescu.

Mohantys laboratorium ved UTA bruger nu systemet til at studere, hvordan neuroner dyrket på en siliciumwafer kommunikerer med hinanden.

I den Videnskabelige rapporter papir, forskerne brugte siliciumwafere, der var omkring 150 til 200 mikron tykke, men de har siden vist, at tykkere silicium kan bruges, hvis lysets bølgelængde øges til det infrarøde område. Forskerne arbejder også på at modificere systemet, så det kan afbilde i tre dimensioner, ligner en CT-scanning.

Forskningen blev finansieret af National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering og Nanoscope Technologies, LLC.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.