Kredit:University of Hong Kong
Märkningsfri, icke-invasiv och kvantitativ övervakning av cellulära aktiviteter är avgörande för att förstå olika biologiska processer och cellernas svar på terapeutiska läkemedel.
Men befintliga tillvägagångssätt hindras ofta av deras många tidskrävande förberedelsesteg, komplicerade apparater och inkompatibilitet som kan störa cellerna och orsaka oönskad påverkan på dem.
En tvärvetenskaplig forskargrupp ledd av Dr Zhiqin Chu från Institutionen för elektro- och elektronikteknik vid University of Hong Kong (HKU) och Dr Yuan Lin från Institutionen för maskinteknik, HKU, i samarbete med Dr Kwai Hei Li från Southern University of Science and Technology, har utvecklat ett lågkostnads, mycket miniatyriserat och inkubatorkompatibelt GaN-chipskop, som möjliggör realtidsövervakning av celler i det begränsade och fuktiga utrymmet i en inkubator.
Denna praktiska enhet skulle ge nya insikter i den grundläggande forskningen inom cellbiologi och läkemedelsupptäckt och hjälpa till i utvecklingen av en ny generation biosensorer. Teamet har ansökt om ett provisoriskt patent i USA.
Jämfört med konventionella fluorescensmolekyler och radionuklidbaserade märkningstekniker, möjliggör märkningsfri analys att biosignalförändringar kan övervakas i realtid utan konstgjord manipulation av enskilda prover. Det gör att de riktade proverna kan behålla sina inneboende tillstånd, vilket minimerar biverkningarna på den naturliga konformationen och den biologiska aktiviteten hos de riktade liganderna, cellerna eller vävnaderna.
Hittills är den ledande etikettfria avkänningsteknologin på marknaden elektriska impedansavkänningsbaserade mikroelektroniska sensorer. Denna elektriska sensor innehåller en rad guldbiosensorer integrerade i brunnsplattan, vilket gör att impedansdetektering i realtid kan spåra och kvantifiera den levande cellvidhäftningsrelaterade dynamiken. Det elektriska fältet som används där kan dock potentiellt störa prover som är känsliga för elektriska signaler, såsom nerver och myokardium.
Som alternativ har optiska evanescensfältbaserade avkänningsmetoder, inklusive resonansvågledargitterbiosensor (RWG) och ytplasmonresonans (SPR), väckt intensivt intresse under de senaste åren på grund av deras icke-invasiva och etikettfria natur. Även om dessa teknologier har överlägsen optisk precision och har använts i stor utsträckning i studiet av biomolekylinteraktioner och detektering av levande cellaktiviteter, har de en hög efterfrågan på testförhållandena och den övergripande uppställningen, vilket utgör stora begränsningar för deras breda tillämpningar i olika miljöer.
Det etablerade GaN-baserade monolitiska chipskopet integrerar ett skräddarsytt mini differential interference contrast (DIC) mikroskop som kvantitativt kan övervaka utvecklingen av olika intracellulära processer på ett etikettfritt sätt. Den möjliggör inte bara en fotoelektrisk avläsning av förändringar i cellulärt/subcellulärt brytningsindex (RI) utan även realtidsavbildning av cellulära/subcellulära ultrastrukturella egenskaper i inkubatorn.
Hjärtat i detta system är ett miniatyriserat GaN fotonchip som integrerar mikroskaliga InGaN/GaN-baserade ljusemissions- och fotodetektionssubenheter (LED-PD). Dess unika staplade design av distribuerad Bragg-reflektor kan dramatiskt förbättra ljusinsamlingens effektivitet.
Det miniatyriserade GaN-fotonchippet kan fotoelektrisk detektion, vilket möjliggör realtidsövervakning av brytningsindex som induceras av de kollektiva cellbeteendena vid chipytan. Samtidigt, med hjälp av det integrerade mini-DIC-avbildningssystemet, kan användare tydligt fånga cellmorfologiförändringarna i realtid. Genom att koppla avbildningsenheten och RI-avkänningsenheten kan plattformen kvantitativt känna igen cellbeteendet på plats, inklusive cellutfällning, initial vidhäftning, spridning, krympning, etc. Denna praktiska, bruksfärdiga cellanalysator har framgångsrikt tillämpats inom läkemedelsindustrin. aktivitetsscreening och immuncellsfenotyper förvandlas.
Denna forskning utökar tillämpningarna av GaN fotoniska chip i biosensorområdet. I synnerhet överskrider den kombinerade strategin med chipsensor och optisk bildbehandling gränserna för de konventionella "fotoniska chip"- och "mikroskopi"-övervakningsprocesserna. Det resulterande "chipskopet" representerar ett betydande och spännande framsteg i utvecklingen av biosensorer.
Forskningsarbetet publicerades i Advanced Science . + Utforska vidare
