Synchrotron InfraRed Nanospektroskopi har använts för första gången för att mäta biomolekylära förändringar inducerade av ett läkemedel (amiodaron) i mänskliga celler (makrofager) och lokaliserade i 100 nanometer skala, dvs två storleksordningar mindre än IR -våglängden som används som sond. Detta uppnåddes vid Multimode InfraRed Imaging och Micro Spectroscopy (MIRIAM) beamline (B22) vid Diamond Light Source, Storbritanniens nationella synkrotronanläggning.
Detta är ett stort vetenskapligt resultat inom Life Sciences som delas av ett internationellt team, som ett kollaborativt stråltid bland forskarna från School of Cancer and Pharmaceutical Science vid Kings College London, Institutionen för farmaceutisk teknik och bioapotek vid universitetet i Wien, och forskarna på MIRIAM B22 strållinjen vid Diamond.
Deras senaste tidning, nu publicerad i Analytisk kemi , har titeln "Synkrotron fototermisk IR Nanospektroskopi av makrofager läkemedelsinducerad fosfolipidos." Den beskriver tillämpningen av den så kallade Resonance Enhanced InfraRed Atomic Force Microscopy (RE AFM IR) av Synchrotron Radiation, att förhöra biologiskt material på subcellulär nivå, i detta fall en cellulär modell av läkemedelsinducerad fosfolipidos (DIPL). Istället för den traditionella metoden för att utvärdera DIPL - dvs. visuell bekräftelse genom elektronmikroskopi av lipidkropparna eller användning av fluorescensmärkningsteknik - de använde IR -bredbandsbelysning med Diamond synkrotron tillsammans med AFM -detektion för att uppnå både molekylspecificitet och förbättrad rumslig upplösning som behövs för att lokalisera metaboliska förändringar i cellen.
Dr Andrew Chan från King's College London som huvudutredare förklarar, "Modellstudien baserad på J774A-1 makrofager exponerade/inte exponerade för amiodaron har tydligt visat att RE AFM IR med synkrotronstrålning kan extrahera lokal molekylär information från små organeller i en enda cell på ett etikettfritt sätt. Detta är anmärkningsvärt. eftersom bestämningen av lipidinnehållet i vakuoler är avgörande för studien av DIPL. Detta kommer att ha stora effekter på utvecklingen av inhalerade läkemedel, varvid DIPL är en av de viktigaste indikationerna på negativ reaktion från kroppen på främmande partiklar. "
AFM-topografikartor visade att amiodaronbehandlade celler hade förstorad cytoplasma, och tunna områden av kollapsade vesiklar. Infra röda (IR) kartor över hela cellen analyserades genom att utnyttja den totala IR-signalen kontra AFM-härledd celltjocklek, även på lateral upplösning runt 100 nm. Vibrationsbandstilldelning av nanospectra var också möjlig:alla karakteristiska toppar för lipider, proteiner, och DNA/RNA identifierades. Dessutom, både bandförhållande och oövervakad kemometrisk analys av Synchrotron IR nanospectra från cellernas nukleära och perinukleära regioner visade att cytoplasman hos amiodaronbehandlade celler hade signifikant förhöjda bandintensiteter i de regioner som motsvarar fosfat- och karbonylgrupper, indikerar detektion av fosfolipidrika inklusionskroppar som är typiska för celler med DIPL.
Principiell beamline -forskare vid MIRIAM beamline vid Diamond och en av verkets författare, Dr Gianfelice Cinque, säger, "Vårt experiment är - såvitt jag vet - en värld först av Synchrotron fototermisk IR Nano -spektroskopi inom biovetenskap, och visade att fototermisk IR -nanospektroskopi framgångsrikt kan skanna över däggdjursceller och avslöja det inre molekylära fingeravtrycket via hela IR -spektrumet, tack vare Synchrotron IR -bredbandstäckning. "
Han förklarade att cellmodellsystemet och läkemedelsbehandlingen exemplifierade metodens förmåga genom att rumskolokalisera morfologi och biokemi i subcellulär skala. Det som var anmärkningsvärt var att nanospectra -kvaliteten som uppnåtts var sådan att typiska vibrationsegenskaper som observerades av IR -mikroskopi på biologiska celler tydligt fångades, men för första gången på nanoskala, tillhandahålla subcellulär biokemisk information på ett etikettfritt sätt. Han lägger till, "Denna prestation har varit avslutningen på en lång experimentell insats av IR beamline B22 -teamet i Diamond - särskilt expertarbetet av Dr Mark Frogley och Dr. Ioannis Lekkas."
Han fortsatte med att förklara att MIRIAM beamline (B22) -förträfflighet inom Synchrotron IR Nano -spektroskopi - dvs. Synchrotron RE-AFM-IR spektroskopi-erbjuder unik kemisk och morfologisk insikt vid subvåglängd eller 100 nm upplösning i en mängd olika verkliga forskningar, särskilt i mjuk materia, såsom mikroplastisk effekt i levande vävnad, antimikrobiella ytfenomen, mikrofossil och biogeologi i submikronskala, organisk mikroelektronikanalys, mikrokompositmaterial och mesostrukturer.
Mer forskningskapacitet kommer att erbjudas snart på MIRIAM beamline B22, som en ny nanoIR -slutstation förväntas från mitten av 2021. Utöver den nuvarande expertisen inom Synchrotron IR fototermisk nanospektroskopi, uppgraderingen tillåter nya metoder (t.ex. AFM IR i tappläge), och kompletterar dem avgörande med IR-spridningsskanning optisk mikroskopi (s-SNOM), att driva den rumsliga upplösningen ytterligare vid 10 -nanometerskalan.
