University of Illinois Electrical &Computer Engineering and Bioengineering Professor Brian Cunninghams Nano Sensors-grupp har uppfunnit en ny bildcellsmetod för levande celler som en dag kan hjälpa biologer att bättre förstå hur stamceller omvandlas till specialiserade celler och hur sjukdomar som cancer sprider sig. Deras Photonic Crystal Enhanced Microscope (PCEM) kan övervaka och kvantitativt mäta celladhesion, en kritisk process involverade cellmigration, celldifferentiering, celldelning, och celldöd.

"Vårt tillvägagångssätt är viktigt eftersom det för närvarande inte finns etikettfria och högupplösta bildverktyg som gör det möjligt att kvantifiera och avbilda cell-ytinteraktioner dynamiskt, även om dessa processer är grundläggande för saker som sårläkning, vävnadsutveckling, tumörinvasion, och cancermetastaser, "sa Brian Cunningham, professor i elektroteknik och datorteknik och bioingenjör i Illinois.

De flesta konventionella avbildningsmetoder är beroende av fluorescerande färgämnen, som fäster till och belyser cellkomponenterna så att de är synliga under ett mikroskop. Dock, fluorescerande märkning har sina begränsningar - nämligen att det är invasivt, svårt för kvantitativ mätning, och ger bara en kort tidsperiod för cellundersökning och mätning på grund av fotoblekning.

Genom att använda PCEM, forskarna har framgångsrikt mätt cellmembranens effektiva massdensitet under stamcellsdifferentiering, och cancercellsvar på läkemedel under en längre period. Deras resultat, "Kvantitativ avbildning av cellmembranassocierad effektiv massdensitet med Photonic Crystal Enhanced Microscopy, "rapporterades i tidningen Framsteg inom kvantelektronik , (November 2016, Volym 50).

Enligt PCEM -forskaren Yue Zhuo, en postdoktor vid Beckman Institute, fluorescerande märkning tillåter inte forskare att se hur ett protein eller en cell förändras över tiden.

"Du kan se cellen i högst några timmar innan lysröret dör ut, men det tar flera dagar att genomföra ett stamcellsexperiment, "sa Zhuo." Forskare använder vanligtvis fluorescerande märkning eftersom det inte finns något bättre sätt att övervaka levande celler på grund av deras låga bildkontrast bland cellulära organeller. Det uppmanar oss att utveckla en etikettfri och högupplöst avbildningsmetod för levande cellstudier. "

Illinois -teamets mikroskop fungerar med en LED -ljuskälla och en fotonisk kristallbiosensor tillverkad av billiga material som titandioxid och plast med en tillverkningsmetod som nanoreplica -gjutning.

"Vår sensor kan enkelt tillverkas massivt, och vår kostnad för att göra sensorn är mindre än $ 1 vardera. "noterade Zhuo.

I Zhuos apparater, den fotoniska kristallbiosensorn är en optisk sensor som kan appliceras på alla fästbara celler. Sensorytan är belagd med extracellulära matrismaterial för att underlätta cellulära interaktioner, som sedan ses genom en normal objektivlins och spelas in med en CCD -kamera.

"Fördelen med vårt PCEM -system är att du kan se när [levande] cellen börjar ansluta till vår sensor, och vi kan mäta kvantitativt och dynamiskt vad som hände vid den tiden, "Sade Zhuo." Vi kan faktiskt mäta ett mycket tunt lager på cellens botten som är cirka 100 nanometer, som ligger utanför diffraktionsgränsen för synligt ljus. "

I framtiden, Zhuo planerar att utrusta mikroskopet med högre bildupplösning och hoppas någon gång kunna bygga ett bibliotek med celladhesionsdata för forskare.

"Olika typer av celler kommer att ha olika dynamiska kopplingsprofiler." hon förklarade. "Vi kan använda detta bibliotek för att screena olika typer av celler för vävnadsregenerering, sjukdomsdiagnostik, eller läkemedelsbehandling, till exempel, se hur sjuka celler sprider sig, eller se hur cancercellerna reagerar på olika läkemedelsbehandling. "