Wetenschappers van het MIT en de Universiteit van Texas in Arlington (UTA) hebben een nieuw type microscopie ontwikkeld dat cellen kan afbeelden door een siliciumwafeltje. waardoor ze nauwkeurig de grootte en het mechanische gedrag van cellen achter de wafer kunnen meten.

De nieuwe technologie, die afhankelijk is van nabij-infrarood licht, zou wetenschappers kunnen helpen meer te weten te komen over zieke of geïnfecteerde cellen terwijl ze door siliciummicrofluïdische apparaten stromen.

"Dit heeft het potentieel om onderzoek naar cellulaire visualisatie samen te voegen met alle opwindende dingen die je kunt doen op een siliciumwafel, " zegt Ishan Barman, een voormalig postdoc in het Laser Biomedical Research Center (LBRC) van MIT en een van de hoofdauteurs van een paper waarin de technologie wordt beschreven in het nummer van 2 oktober van het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Andere hoofdauteurs van het artikel zijn voormalig MIT-postdoc Narahara Chari Dingari en UTA-afgestudeerde studenten Bipin Joshi en Nelson Cardenas. De senior auteur is Samarendra Mohanty, een assistent-professor natuurkunde aan de UTA. Andere auteurs zijn voormalig MIT-postdoc Jaqueline Soares, momenteel een assistent-professor aan de Federale Universiteit van Ouro Preto, Brazilië, en Ramachandra Rao Dasari, adjunct-directeur van het LBRC.

Silicium wordt vaak gebruikt om "lab-on-a-chip" microfluïdische apparaten te bouwen, die cellen kan sorteren en analyseren op basis van hun moleculaire eigenschappen, evenals micro-elektronica-apparaten. Dergelijke apparaten hebben veel potentiële toepassingen in onderzoek en diagnostiek, maar ze zouden nog nuttiger kunnen zijn als wetenschappers de cellen in de apparaten zouden kunnen afbeelden, zegt Barman, die nu een assistent-professor werktuigbouwkunde is aan de Johns Hopkins University.

Om dat te bereiken, Barman en collega's maakten gebruik van het feit dat silicium transparant is voor infrarode en nabij-infrarode golflengten van licht. Ze pasten een microscopietechniek aan die bekend staat als kwantitatieve fasebeeldvorming, die werkt door een laserstraal door een monster te sturen, vervolgens de balk in tweeën splitsen. Door die twee bundels opnieuw te combineren en de informatie die door elk wordt gedragen te vergelijken, de onderzoekers kunnen de hoogte van het monster en de brekingsindex bepalen - een maat voor hoeveel het materiaal het licht dwingt te buigen als het erdoorheen gaat.

Traditionele kwantitatieve fasebeeldvorming maakt gebruik van een helium-neonlaser, die zichtbaar licht produceert, maar voor het nieuwe systeem gebruikten de onderzoekers een titanium saffierlaser die kan worden afgestemd op infrarode en nabij-infrarode golflengten. Voor deze studie is de onderzoekers ontdekten dat licht met een golflengte van 980 nanometer het beste werkte.

Met behulp van dit systeem, de onderzoekers maten veranderingen in de hoogte van rode bloedcellen, met gevoeligheid op nanoschaal, door een siliciumwafel die vergelijkbaar is met die welke in de meeste elektronicalaboratoria worden gebruikt.

Terwijl rode bloedcellen door het lichaam stromen, ze moeten zich vaak door zeer nauwe vaten wurmen. Wanneer deze cellen zijn geïnfecteerd met malaria, ze verliezen dit vermogen om te vervormen, en vormen klompen in kleine vaten. De nieuwe microscopietechniek kan wetenschappers helpen bestuderen hoe dit gebeurt, Dingari zegt; het kan ook worden gebruikt om de dynamiek te bestuderen van de misvormde bloedcellen die sikkelcelanemie veroorzaken.

De onderzoekers gebruikten hun nieuwe systeem ook om menselijke embryonale niercellen te volgen terwijl zuiver water aan hun omgeving werd toegevoegd - een schok die de cellen dwingt water te absorberen en op te zwellen. De onderzoekers konden meten hoeveel de cellen uitzetten en de verandering in hun brekingsindex berekenen.

"Niemand heeft dit soort microscopie van celstructuren eerder door een siliciumsubstraat laten zien, ' zegt Mohanty.

"Dit is een opwindende nieuwe richting die waarschijnlijk enorme kansen biedt voor kwantitatieve fasebeeldvorming, " zegt Gabriël Popescu, een assistent-professor elektrotechniek en informatica aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam.

"De mogelijkheden zijn eindeloos:van micro- en nanofluïdische apparaten tot gestructureerde substraten, de apparaten kunnen zich richten op toepassingen variërend van moleculaire detectie tot karakterisering van hele cellen en screening van geneesmiddelen in celpopulaties, ', zegt Popescu.

Mohanty's lab bij UTA gebruikt het systeem nu om te bestuderen hoe neuronen die op een siliciumwafel zijn gegroeid met elkaar communiceren.

In de Wetenschappelijke rapporten papier, de onderzoekers gebruikten siliciumwafels van ongeveer 150 tot 200 micron dik, maar sindsdien hebben ze aangetoond dat dikker silicium kan worden gebruikt als de golflengte van licht wordt vergroot tot in het infraroodbereik. De onderzoekers werken ook aan het aanpassen van het systeem zodat het in drie dimensies kan worden afgebeeld, vergelijkbaar met een CT-scan.

Het onderzoek werd gefinancierd door het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering and Nanoscope Technologies, LLC.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.