Universiteit van Illinois Electrical &Computer Engineering and Bioengineering Professor Brian Cunningham's Nano Sensors-groep heeft een nieuwe live-cell imaging-methode uitgevonden die biologen op een dag kan helpen beter te begrijpen hoe stamcellen transformeren in gespecialiseerde cellen en hoe ziekten zoals kanker zich verspreiden. Hun Photonic Crystal Enhanced Microscope (PCEM) is in staat om celadhesie te bewaken en kwantitatief te meten, een kritisch proces betrof celmigratie, celdifferentiatie, celverdeling, en celdood.

"Onze aanpak is belangrijk omdat er momenteel geen labelvrije en hoge resolutie beeldvormingstools zijn waarmee celoppervlak-interacties kunnen worden gekwantificeerd en dynamisch kunnen worden afgebeeld, hoewel deze processen fundamenteel zijn voor zaken als wondgenezing, weefsel ontwikkeling, tumor invasie, en kankermetastasen, " zei Brian Cunningham, een professor elektrotechniek en computertechniek en bio-engineering in Illinois.

De meeste conventionele beeldvormingsmethoden zijn gebaseerd op fluorescerende kleurstoffen, die hechten aan en verlichten de celcomponenten zodat ze zichtbaar zijn onder een microscoop. Echter, fluorescerende tagging heeft zijn beperkingen, namelijk dat het invasief is, moeilijk voor kwantitatieve meting, en biedt slechts een korte tijdspanne voor celonderzoek en -meting als gevolg van fotobleking.

Door gebruik te maken van de PCEM, de onderzoekers hebben met succes de effectieve massadichtheid van celmembranen gemeten tijdens stamceldifferentiatie, en de reactie van kankercellen op medicijnen gedurende een langere periode. hun resultaten, "Kwantitatieve beeldvorming van celmembraan-geassocieerde effectieve massadichtheid met behulp van Photonic Crystal Enhanced Microscopy, " werden gerapporteerd in het tijdschrift Vooruitgang in kwantumelektronica , (november 2016, Deel 50).

Volgens PCEM-hoofdonderzoeker Yue Zhuo, een postdoctoraal Beckman Institute Fellow, fluorescerende tagging stelt wetenschappers niet in staat om te zien hoe een eiwit of cel in de loop van de tijd verandert.

"Je kunt de cel misschien maximaal een paar uur zien voordat het fluorescerende licht uitdooft, maar het duurt enkele dagen om een ​​stamcelexperiment uit te voeren, " zei Zhuo. "Wetenschappers gebruiken vaak fluorescerende tagging omdat er geen betere manier is om levende cellen te controleren vanwege hun lage beeldcontrast tussen cellulaire organellen. Dat spoort ons aan om een ​​labelvrije beeldvormingsmethode met hoge resolutie te ontwikkelen voor onderzoek naar levende cellen."

De microscoop van het Illinois-team werkt met een LED-lichtbron en een fotonische kristalbiosensor gemaakt van goedkope materialen zoals titaniumdioxide en plastic met behulp van een fabricagemethode zoals nanoreplica-gieten.

"Onze sensor kan eenvoudig massaal worden gefabriceerd, en onze kosten om de sensor te maken zijn minder dan $ 1 per stuk." merkte Zhuo op.

In het apparaat van Zhuo, de fotonische kristalbiosensor is een optische sensor die op alle bevestigbare cellen kan worden toegepast. Het sensoroppervlak is gecoat met extracellulaire matrixmaterialen om cellulaire interacties te vergemakkelijken, die vervolgens worden bekeken door een normale objectieflens en opgenomen met een CCD-camera.

"Het voordeel van ons PCEM-systeem is dat je kunt zien dat de [live] cel zich begint te hechten aan onze sensor, en we kunnen kwantitatief en dynamisch meten wat er op dat moment gebeurde, "Zei Zhuo. "We kunnen een heel dunne laag op de bodem van de cel meten van ongeveer 100 nanometer, dat is voorbij de diffractielimiet voor zichtbaar licht."

In de toekomst, Zhuo is van plan de microscoop uit te rusten met een hogere beeldresolutie en hoopt ooit een bibliotheek met celadhesiegegevens voor wetenschappers te kunnen bouwen.

"Verschillende soorten cellen hebben verschillende dynamische hechtingsprofielen." ze legde uit. "We kunnen deze bibliotheek gebruiken om verschillende soorten cellen te screenen op weefselregeneratie, ziekte diagnostisch, of medicamenteuze behandeling, bijvoorbeeld, zie hoe zieke cellen zich verspreiden, of kijk hoe de kankercellen reageren op verschillende medicamenteuze behandelingen."