(PhysOrg.com) -- Een endoscoop die optische beelden met hoge resolutie kan leveren van het inwendige van een enkele levende cel, of juist genen afleveren, eiwitten, therapeutische medicijnen of andere lading zonder de cel te verwonden of te beschadigen, is ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Deze zeer veelzijdige en mechanisch robuuste optische sonde op basis van nanodraad kan ook worden toegepast op biosensing en eencellige elektrofysiologie.

Een team van onderzoekers van Berkeley Lab en de University of California (UC) Berkeley bevestigde een tinoxide nanodraad-golfgeleider aan het taps toelopende uiteinde van een optische vezel om een ​​nieuw endoscoopsysteem te creëren. Licht dat langs de optische vezel reist, kan effectief worden gekoppeld aan de nanodraad waar het opnieuw wordt uitgezonden in de vrije ruimte wanneer het de punt bereikt. De nanodraadtip is extreem flexibel vanwege zijn kleine formaat en hoge aspectverhouding, maar kan herhaaldelijk buigen en knikken doorstaan, zodat het meerdere keren kan worden gebruikt.

"Door de voordelen van nanodraadgolfgeleiders en glasvezelfluorescentiebeeldvorming te combineren, we kunnen licht op nanoschaal in levende cellen manipuleren voor het bestuderen van biologische processen in afzonderlijke levende cellen met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie, " zegt Peidong Yang, een chemicus bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die dit onderzoek leidde. "We hebben aangetoond dat onze op nanodraad gebaseerde endoscoop ook optische signalen van subcellulaire regio's kan detecteren en, door licht geactiveerde mechanismen, kan ladingen in cellen afleveren met ruimtelijke en temporele specificiteit."

Yang, die ook afspraken heeft met de Chemistry Department en Department of Materials Science and Engineering van de University of California Berkeley, is de corresponderende auteur van een artikel in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie beschrijft dit werk met de titel "Nanowire-based single-cell endoscopie." Co-auteur van het papier waren Ruoxue Yan, Ji-Ho-park, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang en Luke Lee.

Ondanks aanzienlijke vooruitgang in elektronen- en scanningsondemicroscopie, zichtbaar licht microscopie blijft het werkpaard voor de studie van biologische cellen. Omdat cellen optisch transparant zijn, ze kunnen niet-invasief worden afgebeeld met zichtbaar licht in drie dimensies. Ook, zichtbaar licht maakt de fluorescerende tagging en detectie van cellulaire bestanddelen mogelijk, zoals eiwitten, nucleïnezuren en lipiden. Het enige nadeel van beeldvorming met zichtbaar licht in de biologie is de diffractiebarrière, die voorkomt dat zichtbaar licht structuren oplost die kleiner zijn dan de helft van de golflengte van het invallende licht. Recente doorbraken in nanofotonica hebben het mogelijk gemaakt om deze barrière te overwinnen en subcellulaire componenten in beeld te brengen met optische beeldvormingssystemen. Echter, dergelijke systemen zijn complex, duur en, gek genoeg, omvangrijk van formaat.

"Eerder, we hadden aangetoond dat subgolflengte diëlektrische nanodraadgolfgeleiders efficiënt ultraviolet en zichtbaar licht in lucht en vloeibare media kunnen pendelen, ", zegt Yang. "Door een van onze nanofotonische componenten op te nemen in een eenvoudig, goedkoop, tafelmodel glasvezelopstelling, we waren in staat om ons endoscopisch systeem te miniaturiseren."

Om hun nanodraad-endoscoop te testen als een lokale lichtbron voor subcellulaire beeldvorming, Yang en zijn co-auteurs koppelden het optisch aan een excitatielaser en stuurden vervolgens blauw licht over het membraan en in de binnenkant van individuele HeLa-cellen, de meest gebruikte vereeuwigde menselijke cellijn voor wetenschappelijk onderzoek.

"De optische output van de endoscoopemissie was nauw beperkt tot de nanodraadtip en bood daardoor een zeer gerichte en gelokaliseerde verlichting, ", zegt Yang. "Het inbrengen van onze tinoxide-nanodraad in het celcytoplasma"

veroorzaakte geen celdood, apoptose, aanzienlijke cellulaire stress, of membraanbreuk. Bovendien, het verlichten van de intracellulaire omgeving van HeLa-cellen met blauw licht met behulp van de nanoprobe was niet schadelijk voor de cellen omdat het verlichtingsvolume zo klein was, tot op de picoliterschaal."

Nadat ze de biocompatibiliteit van hun nanodraad-endoscoop hadden aangetoond, Yang en zijn co-auteurs testten vervolgens de mogelijkheden om payloads af te leveren aan specifieke sites in een cel. Hoewel koolstof- en boornitride op nanobuisjes gebaseerde eencellige afleveringssystemen zijn gemeld, deze systemen hebben last van levertijden die variëren van 20 tot 30 minuten, plus een gebrek aan temporele controle over het leveringsproces. Om deze beperkingen te overwinnen, Yang en zijn co-auteurs bevestigden kwantumstippen aan de tinoxide-nanodraadpunt van hun endoscoop met behulp van foto-geactiveerde linkers die kunnen worden gesplitst door ultraviolette straling met een laag vermogen. Binnen een minuut, hun gefunctionaliseerde nanodraad-endoscoop was in staat om zijn kwantumdotlading vrij te geven in de beoogde intracellulaire locaties.

"Confocale microscopie-scanning van de cel bevestigde dat de kwantumdots met succes voorbij het fluorescent gelabelde membraan en in het cytoplasma werden afgeleverd, " zegt Yang. "Fotoactivering om de stippen vrij te maken had geen significant effect op de levensvatbaarheid van de cellen."

Het zeer gerichte blauwe laserlicht werd gebruikt om een ​​van de twee kwantumdotclusters die zich op slechts twee micrometer van elkaar bevonden, te exciteren. Met het strakke verlichtingsgebied en de kleine scheiding tussen de lichtbron en de stippen, lage achtergrondfluorescentie en hoog beeldcontrast werden verzekerd.

"In de toekomst, naast optische beeldvorming en vrachtbezorging, we zouden deze nanodraad-endoscoop ook kunnen gebruiken om een ​​levende cel elektrisch of optisch te stimuleren, ' zegt Yang.

De nanodraden die in deze experimenten worden gebruikt, zijn oorspronkelijk ontwikkeld om grootteafhankelijke nieuwe elektronische en optische eigenschappen voor energietoepassingen te bestuderen.