Synchrotron InfraRed Nanospectroscopie is voor het eerst gebruikt om biomoleculaire veranderingen te meten die worden veroorzaakt door een medicijn (amiodaron) in menselijke cellen (macrofagen) en gelokaliseerd op een schaal van 100 nanometer, d.w.z. twee orden van grootte kleiner dan de IR-golflengte die als sonde wordt gebruikt. Dit werd bereikt bij de Multimode InfraRed Imaging and Micro Spectroscopie (MIRIAM) bundellijn (B22) bij Diamond Light Source, de nationale synchrotronfaciliteit van het VK.

Dit is een belangrijk wetenschappelijk resultaat in Life Sciences gedeeld door een internationaal team, als een gezamenlijke bundeltijd tussen de onderzoekers van de School of Cancer and Pharmaceutical Science van Kings College London, de afdeling Farmaceutische Technologie en Biofarmacie aan de Universiteit van Wenen, en de wetenschappers van de MIRIAM B22 bundellijn bij Diamond.

Hun recente artikel, nu gepubliceerd in Analytische scheikunde , is getiteld "Synchrotron fotothermische IR-nanospectroscopie van door macrofagen veroorzaakte fosfolipidose." Het schetst de toepassing van de zogenaamde Resonance Enhanced InfraRed Atomic Force Microscopy (RE AFM IR) door Synchrotron Radiation, om biologische materie op subcellulair niveau te ondervragen, in dit geval een cellulair model van geneesmiddelgeïnduceerde fosfolipidose (DIPL). In plaats van de traditionele methode om DIPL te evalueren, d.w.z. visuele bevestiging door elektronenmicroscopie van de lipidelichamen of het gebruik van fluorescentielabelingstechniek - ze gebruikten IR-breedbandverlichting door Diamond synchrotron samen met AFM-detectie om zowel moleculaire specificiteit als verbeterde ruimtelijke resolutie te bereiken die nodig is om metabolische veranderingen in de cel te lokaliseren.

Dr. Andrew Chan van King's College London als hoofdonderzoeker legt uit:"De modelstudie op basis van J774A-1-macrofagen die wel/niet zijn blootgesteld aan amiodaron heeft duidelijk aangetoond dat RE AFM IR met synchrotronstraling in staat is om op een labelvrije manier lokale moleculaire informatie te extraheren uit kleine organellen in een enkele cel. Dit is opmerkelijk omdat de bepaling van het lipidengehalte in vacuolen cruciaal is in de studie van DIPL. Dit zal grote gevolgen hebben voor de ontwikkeling van inhalatiegeneesmiddelen waarbij DIPL een van de belangrijkste indicaties is van een negatieve reactie van het lichaam op vreemde deeltjes."

AFM-topografische kaarten toonden aan dat met amiodaron behandelde cellen een vergroot cytoplasma hadden, en dunne gebieden van samengevouwen blaasjes. De infraroodkaarten (IR) van de hele cel werden geanalyseerd door gebruik te maken van het totale IR-signaal versus de van AFM afgeleide celdikte, ook op laterale resolutie rond 100 nm. Trillingsbandtoewijzing van de nanospectra was ook mogelijk:alle karakteristieke pieken voor lipiden, eiwitten, en DNA/RNA werden geïdentificeerd. Aanvullend, zowel de bandverhouding als de niet-gecontroleerde chemometrische analyse van Synchrotron IR-nanospectra uit de nucleaire en perinucleaire regio's van de cellen toonden aan dat het cytoplasma van met amiodaron behandelde cellen significant verhoogde bandintensiteiten had in de regio's die overeenkomen met fosfaat- en carbonylgroepen, wat wijst op detectie van fosfolipide-rijke inclusielichamen die typisch zijn voor cellen met DIPL.

Principiële beamline-wetenschapper bij de MIRIAM beamline bij Diamond en een van de auteurs van het werk, Dr. Gianfelice Cinque, zegt, "Ons experiment is - voor zover ik weet - een wereldprimeur door Synchrotron fotothermische IR Nano-spectroscopie in de biowetenschappen, en bewees dat fotothermische IR Nano-spectroscopie met succes door zoogdiercellen kan scannen en de innerlijke moleculaire vingerafdruk kan onthullen via het volledige IR-spectrum, dankzij Synchrotron IR breedbanddekking."

Hij legde uit dat het celmodelsysteem en de medicamenteuze behandeling een voorbeeld waren van het vermogen van de methode door de morfologie en biochemie op subcellulaire schaal ruimtelijk te colokaliseren. Wat opmerkelijk was, was dat de bereikte nanospectrakwaliteit zodanig was dat typische trillingskenmerken waargenomen door IR-microscopie op biologische cellen duidelijk werden vastgelegd, maar voor het eerst op nanoschaal, het verstrekken van subcellulaire biochemische informatie op een labelvrije manier. Hij voegt toe, "Deze prestatie is het resultaat van een lange experimentele inspanning van het IR-beamline B22-team van Diamond - vooral het deskundige werk van Dr. Mark Frogley en Dr. Ioannis Lekkas."

Hij legde verder uit dat de MIRIAM-bundellijn (B22) uitmuntendheid in Synchrotron IR Nano-spectroscopie - d.w.z. Synchrotron RE-AFM-IR spectroscopie—biedt uniek chemisch en morfologisch inzicht bij subgolflengte of 100 nm resolutie in een verscheidenheid aan real-life onderzoek, vooral in zachte materie, zoals microplastisch effect in levend weefsel, antimicrobiële oppervlakteverschijnselen, microfossielen en biogeologie op submicronschaal, organische micro-elektronica-analyse, microcomposietmaterialen en mesostructuren.

Binnenkort wordt er meer onderzoekscapaciteit aangeboden op de MIRIAM beamline B22, aangezien medio 2021 een nieuw nanoIR-eindstation wordt verwacht. Naast de huidige expertise in Synchrotron IR fotothermische nanospectroscopie, de upgrade maakt nieuwe methoden mogelijk (bijv. AFM IR in tapmodus), en ze cruciaal aan te vullen met IR-verstrooiing scanning optische microscopie (s-SNOM), de ruimtelijke resolutie nog verder opdrijven op de schaal van 10s nanometer.