Et nyt fotonisk chipskop til etiketfri overvågning af levende celleaktiviteter

Etiketfri, ikke-invasiv og kvantitativ overvågning af cellulære aktiviteter er afgørende for at forstå forskellige biologiske processer og cellernes respons på terapeutiske lægemidler.

Imidlertid hindres eksisterende tilgange ofte af deres mange tidskrævende forberedelsestrin, komplicerede apparater og inkompatibilitet, som kan interferere med cellerne og forårsage uønsket indflydelse på dem.

Et tværfagligt forskerhold ledet af Dr. Zhiqin Chu fra Department of Electrical and Electronic Engineering ved University of Hong Kong (HKU) og Dr. Yuan Lin fra Department of Mechanical Engineering, HKU, i samarbejde med Dr. Kwai Hei Li fra Southern University of Science and Technology, har udviklet et billigt, meget miniaturiseret og inkubatorkompatibelt GaN-chipskop, som muliggør overvågning i realtid af celler i det begrænsede og fugtige rum i en inkubator.

Denne praktiske enhed ville give ny indsigt i den grundlæggende forskning inden for cellebiologi og lægemiddelopdagelse og hjælpe med udviklingen af ​​en ny generation af biosensorer. Holdet har ansøgt om et foreløbigt amerikansk patent.

Sammenlignet med konventionelle fluorescensmolekyler og radionuklidbaserede mærkningsteknikker, gør mærkefri analyse det muligt at overvåge biosignalændringer i realtid uden kunstig manipulation af individuelle prøver. Det gør det muligt for de målrettede prøver at bevare deres iboende tilstande, hvilket minimerer bivirkningerne på den native konformation og biologiske aktivitet af de målrettede ligander, celler eller væv.

Til dato er den førende mærkefri sensing-teknologi på markedet elektriske impedans sensing-baserede mikroelektroniske sensorer. Denne elektriske sensor indeholder en række guldbiosensorer integreret i brøndpladen, hvilket tillader impedansdetektion i realtid til at spore og kvantificere den levende celleadhæsionsrelaterede dynamik. Imidlertid kan det elektriske felt, der anvendes der, potentielt interferere med prøver, der er følsomme over for elektriske signaler, såsom nerver og myokardium.

Som alternativer har optisk evanescens-feltbaserede sensingtilgange, herunder resonansbølgeledergitterbiosensor (RWG) og overfladeplasmonresonans (SPR), tiltrukket sig intensiv interesse i de seneste år på grund af deres ikke-invasive og etiketfrie natur. Selvom disse teknologier har overlegen optisk præcision og er blevet brugt i vid udstrækning i studiet af biomolekyle-interaktioner og påvisning af levende celleaktiviteter, har de en høj efterspørgsel efter testtilstanden og den overordnede opsætning, hvilket udgør store begrænsninger for deres brede anvendelser i forskellige miljøer.

Det etablerede GaN-baserede monolitiske chipskop integrerer et tilpasset mini differential interference contrast (DIC) mikroskop, der kvantitativt kan overvåge progressionen af ​​forskellige intracellulære processer på en etiketfri måde. Det muliggør ikke kun en fotoelektrisk udlæsning af ændringer i cellulært/subcellulært brydningsindeks (RI), men også billeddannelse i realtid af cellulære/subcellulære ultrastrukturelle funktioner i inkubatoren.

Hjertet i dette system er en miniaturiseret GaN fotonisk chip, der integrerer mikroskala InGaN/GaN-baserede lysemissions- og fotodetektionsunderenheder (LED-PD). Dens unikke stablede design af distribueret Bragg-reflektor kan dramatisk forbedre lysindsamlingseffektiviteten.

Den miniaturiserede GaN fotoniske chip er i stand til fotoelektrisk detektering, hvilket muliggør real-time brydningsindeksovervågning induceret af den kollektive celleadfærd på chipoverfladen. I mellemtiden, ved at drage fordel af det integrerede mini-DIC billeddannelsessystem, kan brugere tydeligt fange cellemorfologiændringerne i realtid. Ved at koble billeddannelsesenheden og RI-sensorenheden kan platformen kvantitativt genkende celleadfærd in situ, herunder celleudfældning, indledende vedhæftning, spredning, krympning osv. Denne praktiske, brugsklare celleanalysator er blevet anvendt med succes i farmaceutiske produkter aktivitetsscreening, og immuncellefænotyper transformerer spor.

Denne forskning udvider anvendelsen af ​​GaN fotoniske chips i biosensing-området. Især overskrider den kombinerede strategi med chipsensor og optisk billeddannelse grænserne for de konventionelle "fotoniske chip" og "mikroskopi"-overvågningsprocesser. Det resulterende "chipskop" repræsenterer et betydeligt og spændende fremskridt i udviklingen af ​​biosensorer.

Forskningsarbejdet blev offentliggjort i Advanced Science . + Udforsk yderligere

Lipiddråber som endogene intracellulære mikrolinser