20.01.2022 - International society for optics and photonics (SPIE)

Mit einer integrierten Nanodraht-Sonde ins Innere von Zellen blicken

Mit einem markierungsfreien nano-optischen Gerät wird die Entwicklung und Reifung von Zellen in Echtzeit in situ erfasst und verfolgt

Die biologische intrazelluläre Mikroumgebung ist komplex und setzt sich aus verschiedenen Zellkompartimenten und intrazellulären Substanzen zusammen. Um die physiologische Funktion lebender Zellen vollständig zu charakterisieren, ist einer der Schlüsselfaktoren die Entwicklung von Mikro-/Nanosonden für subzelluläre Messungen. Aktuelle Nanosondentechniken stützen sich in der Regel auf Farbstoffe und mit Quantenpunkten dotierte photoelektrische Materialien als Sensoren oder Kalibrierungsobjekte, kombiniert mit optischer Fernfeld-Superauflösungstechnologie. Diesen Techniken fehlt jedoch ein effektiver Schaltkreis, um interne und externe Wechselwirkungen zwischen photoelektrischen Signalen und Molekülen zu verfolgen. Die Genauigkeit der Ergebnisse bei Langzeitmessungen leidet außerdem unter Hintergrundfluoreszenzstörungen und Ausbleichen.

Als Plattform für die intrazelluläre Erkennung und Regulierung ist eine Faser in Mikro-/Nanogröße von Natur aus für den Nano- und Submillimeterbereich herkömmlicher Zellen geeignet und ermöglicht eine verlustfreie Übertragung optischer Fern-/Nahfeldsignale. Um die Lebensfähigkeit der Zellen in vitro aufrechtzuerhalten, muss der für die Einführung der Sonde erforderliche Einschnitt im Allgemeinen innerhalb von 1 μm liegen. Angesichts dieser Grenze muss der Funktionsbereich der idealen Mikro-/Nanofasersonde begrenzt sein. Es ist schwierig, eine Sensorspitze in der Größenordnung von Mikrometern oder sogar Nanometern innerhalb der Struktur der optischen Siliziumfaser mit ihrem niedrigen Brechungsindex (RI) zu realisieren. Die Einführung und Integration externer Materialien und Strukturen bietet eine Lösung, mit der die Größe von Fasergeräten reduziert und gleichzeitig eine Fasersonde mit einem vollständigen Spektralfunktionsmodul für die nicht fluoreszierende Langzeitdetektion erreicht werden kann.

Wie in der Fachzeitschrift Advanced Photonics berichtet, haben Forscher der Universität Nanjing vor kurzem eine multifunktionale, biokompatible, tragbare und wiederverwendbare Mikrofasersonde entwickelt, die auf einer in Nanogitter integrierten Mikrofaser aus Zinkoxid (ZnO) basiert. Sie dient als RI-Sensor für die markierungsfreie Live-Erfassung der intrazellulären RI-Verteilung und die Echtzeitüberwachung zellulärer Moleküle.

Das Gerät besteht aus einem ZnO-Nanodraht mit geätzten Gittern am vorderen Ende und einer sich verjüngenden Fasersonde. Die Sensorfläche des Geräts beträgt etwa 800 nm × 6 μm und ist damit viel kleiner als die herkömmlicher Fasergitter. Dieses neuartige nano-optische Funktionsmodul integriert Signalübertragung, -erfassung und -sammlung, was die Funktionsfähigkeit und Empfindlichkeit erheblich verbessert. Die Verwendung von Nanodrahtgittern anstelle von fluoreszierenden Partikeln für die langfristige Erkennung von Einzelzellen bietet eine stabilere und zuverlässigere Leistung.

Um die Funktion der Nanodraht-Sonde zu demonstrieren, setzten die Forscher sie in einzelne lebende HeLa-Zellen ein, menschliche Krebszellen, benannt nach Henrietta Lacks, einer Krebspatientin, von der die Zelllinie abgeleitet wurde. Die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber RI ermöglichte es dem Team, Veränderungen der Zellmorphologie und der intrazellulären Mikroumgebung während einer Phase der Zellentwicklung und -reifung zu beobachten, die als Apoptose bekannt ist. Der quantitative Nachweis und die Analyse der Brechungsindizes, die während der Apoptose in einzelnen lebenden Zellen auftreten, können dazu beitragen, das Verständnis von Zelllebensereignissen und Krankheiten zu verbessern.

Diese Forschungsarbeit ist ein Präzedenzfall für die In-situ-Erfassung und Verfolgung der frühen Zellapoptose in Echtzeit mit einem markierungsfreien nano-optischen Gerät in lebenden HeLa-Zellen. Sie wird nicht nur zur wissenschaftlichen Erforschung von Zelllebensereignissen beitragen, sondern auch den Anwendungsbereich von Faser-Nanosensoren erweitern. Gleichzeitig überwindet die Strategie, funktionale Nanomodule in einzelne Zellen einzubringen, Hindernisse bei der Gewinnung von Informationen über die Wechselwirkungen zwischen internen und externen Zellmedien und eröffnet neue Wege, um die Vorteile der Faseroptik und der Zellbiologie zu kombinieren. In Zukunft könnte die Echtzeitüberwachung von Temperatur und Substanzkonzentration in Zellen durch das Design verschiedener Strukturen realisiert werden, und die Entwicklung zellphysiologischer Prozesse könnte weiter erforscht werden.

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