Ver el interior de las células con una sonda de nanocables integrada

El microambiente biológico intracelular es complejo y está formado por varios compartimentos celulares y sustancias intracelulares. Para caracterizar completamente la función fisiológica de las células vivas, uno de los factores clave es el desarrollo de micro/nanosondas para la medición subcelular. Las técnicas actuales de nanosonda suelen basarse en tintes y materiales fotoeléctricos dopados con puntos cuánticos como sensores u objetos de calibración, combinados con tecnología óptica de superresolución de campo lejano. Pero estas técnicas carecen de un circuito eficaz para seguir las interacciones internas y externas entre las señales fotoeléctricas y las moléculas. La precisión de los resultados en las mediciones a largo plazo también se ve afectada por las interferencias de la fluorescencia de fondo y el blanqueo.

Como plataforma para la detección y regulación intracelular, una fibra de tamaño micro/nano se adapta de forma natural a la nanoescala y submil escala de las células convencionales, permitiendo la transmisión sin pérdidas de señales ópticas de campo lejano y cercano. Para mantener la viabilidad de las células in vitro, la incisión necesaria para la inserción de la sonda debe ser generalmente de 1 μm. Teniendo en cuenta este límite, el área funcional de detección de la sonda ideal de micro/nanofibras tiene que estar confinada. Es difícil realizar una punta de sensor del orden de micrómetros o incluso nanómetros dentro de la estructura de la fibra óptica de sílice con su bajo índice de refracción (RI). La introducción e integración de materiales y estructuras externas proporciona una solución que puede reducir el tamaño de los dispositivos de fibra y, al mismo tiempo, conseguir una sonda de fibra con un módulo de función de espectro completo para la detección no fluorescente a largo plazo.

Como se informa en Advanced Photonics, investigadores de la Universidad de Nanjing han desarrollado recientemente una sonda de microfibra multifuncional, biocompatible, portátil y reutilizable, basada en una microfibra con nanogranulado de óxido de zinc (ZnO). Sirve como sensor de RI para la detección en vivo, sin etiquetas, de la distribución intracelular de RI y la monitorización en tiempo real de las moléculas celulares.

El dispositivo consiste en un nanocable de ZnO con rejillas grabadas en el extremo frontal y una sonda de fibra cónica. El área de detección del dispositivo es de unos 800 nm × 6 μm, que es mucho más pequeña que la de las rejillas de fibra tradicionales. Este novedoso módulo funcional nanoóptico integra la transmisión, la detección y la recogida de la señal, lo que mejora enormemente la operatividad y la sensibilidad. El uso de rejillas de nanohilos en lugar de partículas fluorescentes para la detección de células individuales a largo plazo ofrece un rendimiento más estable y fiable.

Para demostrar la función de la sonda de nanohilos, los investigadores la insertaron en células HeLa individuales vivas, células cancerosas humanas que llevan el nombre de Henrietta Lacks, una paciente con cáncer de la que se derivó la línea celular. La sensibilidad del dispositivo a la RI permitió al equipo observar los cambios en la morfología celular y el microentorno intracelular durante una etapa del desarrollo y la maduración de las células conocida como apoptosis. La detección y el análisis cuantitativos de los índices de refracción que se producen de forma natural en las células vivas individuales durante la apoptosis pueden ayudar a avanzar en la comprensión de los acontecimientos de la vida celular y las enfermedades.

Esta investigación sienta un precedente para la detección y el seguimiento in situ y en tiempo real de la apoptosis celular temprana mediante un dispositivo nanoóptico sin etiquetas en células HeLa vivas. No sólo contribuirá al conocimiento científico de los acontecimientos de la vida celular, sino que también ampliará el ámbito de aplicación de los nanosensores de fibra. Al mismo tiempo, la estrategia de insertar nanomódulos funcionales en células individuales supera las barreras para obtener información sobre las interacciones entre los medios celulares internos y externos, lo que ilumina un camino hacia nuevas formas de combinar las ventajas de la fibra óptica y la biología celular. En el futuro, la monitorización en tiempo real de la temperatura y la concentración de sustancias en las células podrá realizarse mediante el diseño de diferentes estructuras, y se podrá seguir explorando la evolución de los procesos fisiológicos celulares.