«Наш подход важен, потому что в настоящее время не существует инструментов визуализации с высоким разрешением без меток, которые позволяют количественно определять и отображать взаимодействия между клетками и поверхностью, хотя эти процессы имеют фундаментальное значение для таких вещей, как заживление ран, развитие тканей, инвазия опухоли и т. Д. метастазы рака ", — сказал Брайан Каннингем, профессор электротехники, компьютерной инженерии и биоинженерии в Иллинойсе.Большинство традиционных методов визуализации основаны на флуоресцентных красителях, которые прикрепляются к клеточным компонентам и освещают их, чтобы они были видны под микроскопом.
Однако флуоресцентная маркировка имеет свои ограничения, а именно то, что она инвазивна, трудна для количественного измерения и обеспечивает лишь краткосрочное окно времени для исследования и измерения клеток из-за фотообесцвечивания.Используя PCEM, исследователи успешно измерили эффективную массовую плотность клеточных мембран во время дифференцировки стволовых клеток и реакцию раковых клеток на лекарства в течение длительного периода времени. Их результаты, «Количественная визуализация эффективной массовой плотности, связанной с клеточной мембраной, с использованием микроскопии, усиленной фотонными кристаллами», были опубликованы в журнале Progress in Quantum Electronics (ноябрь 2016 г., том 50).По словам ведущего исследователя PCEM Юэ Чжуо, научного сотрудника Института Бекмана, получившего докторскую степень, флуоресцентная маркировка не позволяет ученым видеть, как белок или клетка меняются с течением времени.
«Вы можете видеть клетку максимум в течение нескольких часов, прежде чем погаснет флуоресцентный свет, но для проведения эксперимента со стволовыми клетками требуется несколько дней», — сказал Чжо. «Ученые обычно используют флуоресцентные метки, потому что нет лучшего способа контролировать живые клетки из-за их низкого контраста изображения между клеточными органеллами. Это побуждает нас разработать безметочный метод визуализации с высоким разрешением для исследования живых клеток».
Микроскоп команды из Иллинойса работает с светодиодным источником света и фотонно-кристаллическим биосенсором, изготовленным из недорогих материалов, таких как диоксид титана и пластик, с использованием такого метода изготовления, как формование нанорепликации.«Наш датчик может быть легко изготовлен в массовом порядке, а стоимость изготовления каждого датчика составляет менее 1 доллара США». — отметил Чжо.В аппарате Чжуо фотонно-кристаллический биосенсор представляет собой оптический датчик, который может применяться к любым присоединяемым ячейкам. Поверхность сенсора покрыта материалами внеклеточного матрикса для облегчения клеточных взаимодействий, которые затем просматриваются через линзу обычного объектива и записываются с помощью камеры CCD.
«Преимущество нашей системы PCEM в том, что вы можете видеть, как [живая] клетка начинает прикрепляться к нашему датчику, и мы можем количественно и динамически измерить то, что произошло в то время», — сказал Чжо. «Мы действительно можем измерить очень тонкий слой на дне ячейки размером около 100 нанометров, что превышает дифракционный предел для видимого света».В будущем Чжо планирует оснастить микроскоп более высоким разрешением изображения и когда-нибудь надеется создать для ученых библиотеку данных о клеточной адгезии.
«Различные типы ячеек будут иметь разные динамические профили прикрепления». она объяснила. «Мы можем использовать эту библиотеку для скрининга различных типов клеток на предмет регенерации тканей, диагностики заболеваний или лечения лекарствами, например, чтобы увидеть, как распространяются больные клетки, или увидеть, как раковые клетки реагируют на различное лекарственное лечение».