Fluorescenskonfokal bild av en enda levande HeLa-cell visar att via nanoendoskopi har ett kvantpunktskluster (röd prick) levererats till cytoplasman i cellens membran (grönt). Med tillstånd av Berkeley Lab
(PhysOrg.com) -- Ett endoskop som kan ge högupplösta optiska bilder av det inre av en enskild levande cell, eller exakt leverera gener, proteiner, terapeutiska läkemedel eller annan last utan att skada eller skada cellen, har utvecklats av forskare med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Denna mycket mångsidiga och mekaniskt robusta nanotrådsbaserade optiska sond kan också användas för biosensing och encellselektrofysiologi.
Ett team av forskare från Berkeley Lab och University of California (UC) Berkeley fäste en tennoxid nanotrådvågledare till den avsmalnande änden av en optisk fiber för att skapa ett nytt endoskopsystem. Ljus som färdas längs den optiska fibern kan effektivt kopplas in i nanotråden där det återutsänds till fritt utrymme när det når spetsen. Nanotrådsspetsen är extremt flexibel på grund av sin lilla storlek och höga bildförhållande, ändå tål upprepad böjning och buckling så att den kan användas flera gånger.
"Genom att kombinera fördelarna med nanotrådvågledare och fiberoptisk fluorescensavbildning, vi kan manipulera ljus på nanoskala inuti levande celler för att studera biologiska processer i enstaka levande celler med hög rumslig och tidsmässig upplösning, " säger Peidong Yang, en kemist vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som ledde denna forskning. "Vi har visat att vårt nanotrådsbaserade endoskop också kan detektera optiska signaler från subcellulära regioner och, genom ljusaktiverade mekanismer, kan leverera nyttolaster till celler med rumslig och tidsmässig specificitet."
Yang, som också har anställningar med University of California Berkeleys kemiavdelning och institutionen för materialvetenskap och teknik, är motsvarande författare till en artikel i tidskriften Naturens nanoteknik som beskriver detta arbete med titeln "Nanowire-based single-cell endoscopy." Medförfattare till tidningen var Ruoxue Yan, Ji-Ho Park, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang och Luke Lee.
Bilder av ett nanotrådendoskop i nära kontakt med ett kvantprickkluster i en HeLa-cell (vänster), och separerade vertikalt från klustret med 2 mm (mitten) och horisontellt med 6 mm (höger). Färgade cirklar och pilar markerar positionen för klustret och rörelsen av endoskopet.
Trots betydande framsteg inom elektron- och svepsondsmikroskopi, synligt ljusmikroskopi förblir arbetshästen för studier av biologiska celler. Eftersom celler är optiskt transparenta, de kan avbildas icke-invasivt med synligt ljus i tre dimensioner. Också, synligt ljus möjliggör fluorescerande märkning och detektering av cellulära beståndsdelar, som proteiner, nukleinsyror och lipider. Den enda nackdelen med avbildning av synligt ljus inom biologi har varit diffraktionsbarriären, som hindrar synligt ljus från att lösa upp strukturer som är mindre än halva våglängden av det infallande ljuset. Nyligen genomförda genombrott inom nanofotonik har gjort det möjligt att övervinna denna barriär och få syn på subcellulära komponenter med optiska bildsystem. Dock, sådana system är komplexa, dyrt och, märkligt nog, skrymmande i storleken.
"Tidigare, vi hade visat att dielektriska nanotrådsvågledare med subvåglängd effektivt kan överföra ultraviolett och synligt ljus i luft och flytande media, " säger Yang. "Genom att integrera en av våra nanofotoniska komponenter i en enkel, låg kostnad, fiberoptisk uppställning på bänk, vi kunde miniatyrisera vårt endoskopiska system."
För att testa deras nanotrådendoskop som en lokal ljuskälla för subcellulär avbildning, Yang och hans medförfattare kopplade den optiskt till en excitationslaser och förde sedan vågledat blått ljus över membranet och in i det inre av individuella HeLa-celler, den mest använda odödliga mänskliga cellinjen för vetenskaplig forskning.
"Den optiska utsignalen från endoskopets emission var nära begränsad till nanotrådsspetsen och erbjöd därigenom mycket riktad och lokal belysning, " säger Yang. "Införandet av vår tennoxid nanotråd i cellcytoplasman
inducerade inte celldöd, apoptos, betydande cellulär stress, eller membranruptur. Dessutom, att belysa den intracellulära miljön av HeLa-celler med blått ljus med hjälp av nanosonden skadade inte cellerna eftersom belysningsvolymen var så liten, ner till picoliterskalan."
Detta schema visar den subcellulära avbildningen av kvantprickar i en levande cell med hjälp av ett nanotrådendoskop. Kredit:(Med tillstånd av Berkeley Lab)
Efter att ha visat biokompatibiliteten hos deras nanotrådendoskop, Yang och hans medförfattare testade sedan dess kapacitet för att leverera nyttolaster till specifika platser inuti en cell. Medan kol- och bornitrid-nanorörsbaserade encelliga leveranssystem har rapporterats, dessa system lider av leveranstider som sträcker sig från 20 till 30 minuter, plus en brist på tidsmässig kontroll över leveransprocessen. För att övervinna dessa begränsningar, Yang och hans medförfattare fäste kvantprickar till nanotrådsspetsen av tennoxid på deras endoskop med hjälp av fotoaktiverade länkar som kan klyvas av ultraviolett strålning med låg effekt. Inom en minut, deras funktionaliserade nanotrådendoskop kunde släppa ut sin kvantpricklast till de riktade intracellulära platserna.
"Konfokal mikroskopisk skanning av cellen bekräftade att kvantprickarna framgångsrikt levererades förbi det fluorescensmärkta membranet och in i cytoplasman, "Yang säger. "Fotoaktivering för att frigöra prickarna hade ingen signifikant effekt på cellviabiliteten."
Det starkt riktade blå laserljuset användes för att excitera en av två kvantpunktkluster som var belägna bara två mikrometer från varandra. Med det snäva belysningsområdet och litet avstånd mellan ljuskällan och prickarna, låg bakgrundsfluorescens och hög bildkontrast säkerställdes.
"I framtiden, förutom optisk bildbehandling och lastleverans, vi skulle också kunna använda detta nanotrådsendoskop för att elektriskt eller optiskt stimulera en levande cell, " säger Yang.
Nanotrådarna som användes i dessa experiment utvecklades ursprungligen för att studera storleksberoende nya elektroniska och optiska egenskaper för energitillämpningar.
