Microlaserdeeltjes zijn naar voren gekomen als unieke optische sondes voor het volgen van één cel. Echter, vanwege de inherente directionaliteit van laseremissies, celtracking met laserdeeltjes lijdt aan frequent verlies van celsporen. Onlangs, wetenschappers van de Harvard Medical School en Peking University plaatsten omnidirectionele zichtbare laserdeeltjes in levende cellen, en demonstreerde continu ruimtelijk volgen van afzonderlijke cellen. De techniek zal nieuwe wegen openen voor grootschalige eencellige analyse in de studie van cellulaire heterogeniteit.

Laserdeeltjes zijn micrometer- en nanometerlasers in de vorm van deeltjes die dispergeerbaar zijn in een waterige oplossing, die veel belangstelling hebben gewekt in de biowetenschappen als een veelbelovende nieuwe optische sonde. Laserdeeltjes zenden helder licht uit met een extreem smalle spectrale bandbreedte. Door laserdeeltjes in levende cellen over te brengen, zoals weergegeven in figuur 1, individuele cellen in een heterogene populatie kunnen worden gevolgd met behulp van de specifieke spectrale vingerafdruk van elk intracellulair deeltje als een optisch leesbare streepjescode. Echter, laserdeeltjes zenden gericht licht uit (Figuur 2) en verspreiden zich vrij in levende cellen, hun oriëntatie varieert willekeurig in de tijd. Daarom resulteert optische uitlezing van deze labels in 'vuurtorenachtig' knipperen, wat leidt tot frequent verlies van celsporen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen , wetenschappers van de groep van professor Seok-Hyun Yun aan de Harvard Medical School, en de groep van professor Yun-Feng Xiao aan de Universiteit van Peking demonstreert eencellige tracking met intracellulaire laserdeeltjes die zijn ontworpen om bijna homogeen in alle richtingen uit te stralen. Omnidirectionele laseremissie wordt bereikt door lichtverstrooiing in de microschijfholte op te nemen, die oriëntatieafhankelijke intensiteitsfluctuaties met twee ordes van grootte vermindert (Figuur 2), het mogelijk maken om zonder knipperen afzonderlijke cellen te volgen onder dezelfde omstandigheden waarin bestaande technologie vaak last heeft van volgfouten. De gerapporteerde techniek zal nieuwe wegen openen voor grootschalige eencellige analyse, en andere toepassingen van laserdeeltjes te vergemakkelijken, zoals cellulaire en biochemische detectie en eencellige analyse in microfluïdica.

Deze wetenschappers vatten het single-cell tagging-principe van laserdeeltjes samen:"Typisch, onderzoekers gebruiken fluorescerende sondes om specifieke cellen te labelen, maar er kunnen maar een paar kleuren tegelijk worden gebruikt voordat spectrale overlap een probleem wordt. Laserdeeltjes zijn kleine lasers die in levende cellen kunnen worden ingebracht. Deze kleine lasers kunnen worden ontworpen om veel meer onderscheidende kleuren te produceren. De intracellulaire laserdeeltjes met een specifieke kleur bewegen mee met levende cellen, en daarom kunnen afzonderlijke cellen worden gevolgd terwijl ze door complexe biologische monsters bewegen, " zei Dr. Shui-Jing Tang, een voormalige gaststudent aan de Harvard Medical School en een huidige Boya-postdoctoraal onderzoeker aan de Peking University.

"Helaas, laserdeeltjes zenden licht uit in een bepaalde richting. Wanneer deeltjes in de loop van de tijd vrij ronddraaien terwijl de cel beweegt, hun schijnbare helderheid, zoals gezien door een fotodetector, verandert drastisch. We hebben een nieuw soort laserdeeltje ontwikkeld dat licht in alle richtingen uitstraalt. Daarom, de ruimtelijke celsporen konden continu worden gevolgd, ongeacht hoe elk deeltje in een cel was georiënteerd, " voegde Paul Dannenberg toe, een afgestudeerde student aan de Harvard Medical School.

"De gepresenteerde techniek maakt het mogelijk om laserdeeltjes in de loop van de tijd betrouwbaar te detecteren en te identificeren in celvolgtoepassingen, die grootschalige eencellige analyse in complexe biologische monsters mogelijk zou kunnen maken. Naast celtracking, ons werk zal andere toepassingen van laserdeeltjes vergemakkelijken, zoals cellulaire en biochemische detectie en eencellige analyse in microfluïdica, " zei Dr. Andreas Liapis, een onderzoeker aan de Harvard University.