Forskare vid MIT och University of Texas i Arlington (UTA) har utvecklat en ny typ av mikroskopi som kan avbilda celler genom en kiselwafer, gör det möjligt för dem att exakt mäta storleken och det mekaniska beteendet hos celler bakom skivan.

Den nya tekniken, som är beroende av nära-infrarött ljus, skulle kunna hjälpa forskare att lära sig mer om sjuka eller infekterade celler när de strömmar genom kiselmikrofluidenheter.

"Detta har potential att slå samman forskning inom cellulär visualisering med alla spännande saker du kan göra på en kiselwafer, " säger Ishan Barman, en före detta postdoc vid MIT:s Laser Biomedical Research Center (LBRC) och en av huvudförfattarna till en artikel som beskriver tekniken i numret av tidskriften den 2 oktober Vetenskapliga rapporter .

Andra huvudförfattare till uppsatsen är tidigare MIT postdoc Narahara Chari Dingari och UTA-studenter Bipin Joshi och Nelson Cardenas. Senior författare är Samarendra Mohanty, en biträdande professor i fysik vid UTA. Andra författare är tidigare MIT postdoc Jaqueline Soares, för närvarande biträdande professor vid Federal University of Ouro Preto, Brasilien, och Ramachandra Rao Dasari, biträdande direktör för LBRC.

Kisel används ofta för att bygga "lab-on-a-chip" mikrofluidenheter, som kan sortera och analysera celler baserat på deras molekylära egenskaper, såväl som mikroelektronikenheter. Sådana enheter har många potentiella tillämpningar inom forskning och diagnostik, men de skulle kunna vara ännu mer användbara om forskare kunde avbilda cellerna inuti enheterna, säger Barman, som nu är biträdande professor i maskinteknik vid Johns Hopkins University.

För att uppnå det, Barman och kollegor utnyttjade det faktum att kisel är transparent för infraröda och nära-infraröda våglängder av ljus. De anpassade en mikroskopiteknik känd som kvantitativ fasavbildning, som fungerar genom att skicka en laserstråle genom ett prov, sedan dela strålen i två. Genom att kombinera dessa två strålar och jämföra informationen som bärs av var och en, forskarna kan bestämma provets höjd och dess brytningsindex – ett mått på hur mycket materialet tvingar ljuset att böjas när det passerar igenom.

Traditionell kvantitativ fasavbildning använder en heliumneonlaser, som producerar synligt ljus, men för det nya systemet använde forskarna en titansafirlaser som kan ställas in på infraröda och nära-infraröda våglängder. För denna studie, forskarna fann att ljus med en våglängd på 980 nanometer fungerade bäst.

Genom att använda detta system, forskarna mätte förändringar i höjden av röda blodkroppar, med känslighet i nanoskala, genom en kiselskiva liknande de som används i de flesta elektroniklabb.

När röda blodkroppar strömmar genom kroppen, de måste ofta klämma sig igenom mycket smala kärl. När dessa celler är infekterade med malaria, de förlorar denna förmåga att deformeras, och bildar träskor i små kärl. Den nya mikroskopitekniken kan hjälpa forskare att studera hur detta händer, Dingari säger; det kan också användas för att studera dynamiken hos de missbildade blodkroppar som orsakar sicklecellanemi.

Forskarna använde också sitt nya system för att övervaka mänskliga embryonala njurceller när rent vatten sattes till deras miljö - en chock som tvingar cellerna att absorbera vatten och svälla upp. Forskarna kunde mäta hur mycket cellerna tänjde ut och beräkna förändringen i deras brytningsindex.

"Ingen har visat den här typen av mikroskopi av cellulära strukturer tidigare genom ett kiselsubstrat, säger Mohanty.

"Detta är en spännande ny riktning som sannolikt kommer att öppna upp enorma möjligheter för kvantitativ fasavbildning, säger Gabriel Popescu, en biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of Illinois i Urbana-Champaign som inte ingick i forskargruppen.

"Möjligheterna är oändliga:från mikro- och nanofluidiska enheter till strukturerade substrat, enheterna kan rikta in sig på tillämpningar som sträcker sig från molekylär avkänning till helcellskarakterisering och läkemedelsscreening i cellpopulationer, säger Popescu.

Mohantys labb vid UTA använder nu systemet för att studera hur nervceller odlade på en kiselskiva kommunicerar med varandra.

I den Vetenskapliga rapporter papper, forskarna använde kiselwafers som var cirka 150 till 200 mikron tjocka, men de har sedan dess visat att tjockare kisel kan användas om ljusets våglängd ökas till det infraröda området. Forskarna arbetar också med att modifiera systemet så att det kan avbilda i tre dimensioner, liknande en datortomografi.

Forskningen finansierades av National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering och Nanoscope Technologies, LLC.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.