纳米等离子体成像揭示实时蛋白质分泌

蛋白质、抗体和神经递质等细胞分泌物在免疫反应、新陈代谢和细胞间通讯中起着至关重要的作用。了解细胞分泌物是开发疾病治疗的关键，但目前的方法只能报告分泌物的数量，而没有关于它们产生的时间和地点的任何细节。

现在，工程学院和日内瓦大学生物纳米光子系统实验室 ( BIOS ) 的研究人员开发了一种新颖的光学成像方法，可以在空间和时间上提供细胞分泌物的四维视图。通过将单个细胞放入纳米结构镀金芯片的微观孔中，然后在芯片表面诱导一种称为等离子体共振的现象，他们能够在分泌物产生时绘制它们的图，同时观察细胞的形状和运动。

由于它提供了细胞如何运作和交流的前所未有的详细视图，科学家们相信他们最近发表在《自然生物医学工程》上的方法对药物开发和基础研究具有“巨大”潜力。

“我们工作的一个关键方面是它允许我们以高通量方式单独筛选细胞。许多细胞的平均反应的集体测量并不能反映它们的异质性……在生物学中，从免疫反应到癌细胞，一切都是异质的。这就是癌症如此难以治疗的原因，”BIOS 负责人 Hatice Altug 说。

百万传感元件

科学家方法的核心是一个 1 cm 2 的纳米等离子体芯片，由数百万个小孔和数百个用于单个细胞的腔室组成。该芯片由覆盖有薄聚合物网的纳米结构金基板制成。每个腔室都充满了细胞培养基，以在成像过程中保持细胞的活力和健康。

“细胞分泌物就像细胞的语言：它们在时间和空间上动态扩散，与其他细胞连接。我们的技术捕获了这些‘词’传播的位置和距离方面的关键异质性，”BIOS 博士生和第一作者 Saeid Ansaryan 说。

纳米等离激元学部分得益于一束光束，它会导致金电子振荡。纳米结构经过精心设计，只有特定的波长才能穿透它。当芯片表面出现某种东西(如蛋白质分泌物)以改变通过的光时，光谱就会发生变化。CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器和 LED 将这种转变转化为 CMOS 像素上的强度变化。

“我们设备的美妙之处在于，分布在整个表面上的纳米孔将每个点都变成了传感元件。这使我们能够观察释放蛋白质的空间模式，而不管细胞位置如何，”Ansaryan 说。

该方法使科学家们能够瞥见两个基本的细胞过程——细胞分裂和细胞死亡——并研究微妙的分泌抗体的人类供体 B 细胞。

“我们看到了在两种形式的细胞死亡、细胞凋亡和坏死性凋亡过程中释放的细胞内容物。在后者中，内容以非对称突发方式发布，从而产生图像签名或指纹。这以前从未在单细胞水平上显示过，”Altug 说。

筛选细胞适应性

由于该方法将细胞浸泡在营养丰富的细胞培养基中，并且不需要其他成像技术使用的有毒荧光标记，因此可以轻松回收研究中的细胞。这为该方法提供了用于开发药物、疫苗和其他治疗方法的巨大潜力;例如，帮助研究人员了解细胞如何在个体水平上对不同疗法做出反应。

“由于细胞产生的分泌物的数量和模式是决定其整体有效性的指标，我们还可以想象免疫疗法应用，您可以在其中筛选患者的免疫细胞以识别最有效的细胞，然后创建这些细胞的集落， ”安萨良说。

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