Mikrolaserpartiklar har framkommit som unika optiska sonder för enkelcells spårning. Dock, på grund av inneboende riktning av laserutsläpp, cellspårning med laserpartiklar lider av frekvent förlust av cellspår. Nyligen, forskare vid Harvard Medical School och Peking University placerade omnidirektionella synliga laserpartiklar i levande celler, och demonstrerade kontinuerlig rumslig spårning av enstaka celler. Tekniken kommer att öppna nya vägar för storskaliga encelliga analyser i studien av cellulär heterogenitet.

Laserpartiklar är mikrometer- och nanometerlasrar i form av partiklar dispergerbara i vattenlösning, som har väckt stort intresse för biovetenskaperna som en lovande ny optisk sond. Laserpartiklar avger starkt ljus med extremt smal spektralbandbredd. Genom att överföra laserpartiklar till levande celler som visas i figur 1, enskilda celler i en heterogen population kan spåras med användning av varje intracellulär partikels specifika spektrala fingeravtryck som en optiskt läsbar streckkod. Dock, laserpartiklar avger riktat ljus (figur 2) och sprids fritt inuti levande celler, deras orientering varierar slumpmässigt över tiden. Därför resulterar optisk avläsning av dessa etiketter i att "fyrliknande" blinkar, vilket leder till frekvent förlust av cellspår.

I en ny artikel publicerad i Ljus:Vetenskap och applikationer , forskare från professor Seok-Hyun Yuns grupp vid Harvard Medical School, och professor Yun-Feng Xiaos grupp vid Peking-universitetet visar spårning med en cell med intracellulära laserpartiklar konstruerade för att avge nästan homogent i alla riktningar. Omnidirektionell laseremission uppnås genom att införliva ljusspridning i mikrodiskhålan, vilket minskar orienteringsberoende intensitetsfluktuationer med två storleksordningar (figur 2), möjliggör blinkande spårning av enstaka celler under samma förhållanden där befintlig teknik lider av frekvent spårningsfel. Den rapporterade tekniken kommer att öppna nya vägar för storskaliga encelliga analyser, och underlätta andra tillämpningar av laserpartiklar, såsom cellulär och biokemisk avkänning och enkelcellsanalys i mikrofluidik.

Dessa forskare sammanfattar enkelcellsmärkningsprincipen för laserpartiklar:"Vanligtvis forskare använder fluorescerande sonder för att märka specifika celler, men bara några få färger kan användas samtidigt innan spektral överlappning blir ett problem. Laserpartiklar är små lasrar som kan sättas in i levande celler. Dessa små lasrar kan utformas för att producera många mer urskiljbara färger. De intracellulära laserpartiklarna med en specifik färg kommer att röra sig med levande celler, och därför kan enstaka celler spåras när de rör sig genom komplexa biologiska prover, "sade Dr Shui-Jing Tang, en tidigare gäststudent vid Harvard Medical School och en nuvarande Boya postdoktoral forskare vid Peking University.

"Tyvärr, laserpartiklar avger ljus i en specifik riktning. När partiklar roterar fritt över tiden när cellen rör sig, deras skenbara ljusstyrka, sett av en fotodetektor, förändras dramatiskt. Vi utvecklade en ny typ av laserpartiklar som avger ljus i alla riktningar. Därför, de rumsliga cellspåren kunde spåras kontinuerligt oavsett hur varje partikel var orienterad inuti en cell, "tillade Paul Dannenberg, en doktorand vid Harvard Medical School.

"Den presenterade tekniken gör det möjligt att på ett tillförlitligt sätt detektera och identifiera laserpartiklar över tiden i cellspårningsapplikationer, vilket skulle möjliggöra storskalig enkelcellsanalys i komplexa biologiska prover. Förutom cellspårning, vårt arbete kommer att underlätta andra tillämpningar av laserpartiklar, såsom cellulär och biokemisk avkänning och enkelcellsanalys i mikrofluidik, "sade doktor Andreas Liapis, forskare vid Harvard University.