Il rilevamento dinamico e senza etichetta dell'adesione delle cellule staminali utilizza il microscopio potenziato da cristalli fotonici. Credito:Yue Zhuo, Università dell'Illinois
Il gruppo Nano Sensors del professor Brian Cunningham dell'Università dell'Illinois Ingegneria elettrica e informatica e bioingegneria ha inventato un nuovo metodo di imaging di cellule vive che un giorno potrebbe aiutare i biologi a capire meglio come le cellule staminali si trasformano in cellule specializzate e come si diffondono malattie come il cancro. Il loro microscopio a cristalli fotonici (PCEM) è in grado di monitorare e misurare quantitativamente l'adesione cellulare, un processo critico ha coinvolto la migrazione cellulare, differenziazione cellulare, divisione cellulare, e morte cellulare.
"Il nostro approccio è importante perché attualmente non esistono strumenti di imaging privi di etichette e ad alta risoluzione che consentano di quantificare e visualizzare dinamicamente le interazioni cellula-superficie, sebbene questi processi siano fondamentali per cose come la guarigione delle ferite, sviluppo dei tessuti, invasione del tumore, e metastasi del cancro, " ha detto Brian Cunningham, un professore di ingegneria elettrica e informatica e di bioingegneria all'Illinois.
La maggior parte dei metodi di imaging convenzionali si basano su coloranti fluorescenti, che si attaccano e illuminano i componenti cellulari in modo che siano visibili al microscopio. Però, l'etichettatura fluorescente ha i suoi limiti, vale a dire che è invasiva, difficile per la misurazione quantitativa, e fornisce solo una finestra di tempo a breve termine per l'esame e la misurazione delle cellule a causa del fotosbiancamento.
Utilizzando il PCEM, i ricercatori hanno misurato con successo l'effettiva densità di massa delle membrane cellulari durante la differenziazione delle cellule staminali, e la risposta delle cellule tumorali ai farmaci in un periodo prolungato. I loro risultati, "Imaging quantitativo della densità di massa effettiva associata alla membrana cellulare utilizzando la microscopia a cristalli fotonici, " sono stati riportati nel giornale Progressi nell'elettronica quantistica , (novembre 2016, Volume 50).
Secondo il ricercatore capo PCEM Yue Zhuo, un post-dottorato Beckman Institute Fellow, l'etichettatura fluorescente non consente agli scienziati di vedere come una proteina o una cellula cambia nel tempo.
"Puoi vedere la cella forse per alcune ore al massimo prima che la luce fluorescente si spenga, ma ci vogliono diversi giorni per condurre un esperimento sulle cellule staminali, " ha detto Zhuo. "Gli scienziati usano comunemente l'etichettatura fluorescente perché non c'è modo migliore per monitorare le cellule vive a causa del loro basso contrasto di imaging tra gli organelli cellulari. Questo ci spinge a sviluppare un metodo di imaging senza etichette e ad alta risoluzione per lo studio delle cellule vive".
Yue Zhuo, ricercatore post-dottorato e Beckman Institute Fellow, può visualizzare cellule vive senza coloranti fluorescenti utilizzando il microscopio potenziato a cristalli fotonici. Credito:G. Pluta
Il microscopio del team dell'Illinois funziona con una sorgente luminosa a LED e un biosensore a cristalli fotonici realizzato con materiali economici come il biossido di titanio e la plastica utilizzando un metodo di fabbricazione come lo stampaggio di nanoreplica.
"Il nostro sensore può essere fabbricato in modo massiccio facilmente, e il nostro costo per realizzare il sensore è inferiore a $ 1 ciascuno", ha osservato Zhuo.
Nell'apparato di Zhuo, il biosensore a cristalli fotonici è un sensore ottico che può essere applicato a qualsiasi cella attaccabile. La superficie del sensore è rivestita con materiali di matrice extracellulare per facilitare le interazioni cellulari, che vengono poi visti attraverso un normale obiettivo e registrati con una camera CCD.
"Il vantaggio del nostro sistema PCEM è che puoi vedere come la cella [live] sta iniziando ad attaccarsi al nostro sensore, e possiamo misurare quantitativamente e dinamicamente cosa è successo in quel momento, " ha detto Zhuo. "Siamo in grado di misurare effettivamente uno strato molto sottile sul fondo della cellula che è di circa 100 nanometri, che è oltre il limite di diffrazione per la luce visibile."
Nel futuro, Zhuo prevede di dotare il microscopio di una risoluzione di imaging più elevata e un giorno spera di poter creare una libreria di dati sull'adesione cellulare per gli scienziati.
"Diversi tipi di celle avranno diversi profili di attacco dinamico". lei spiegò. "Possiamo usare questa libreria per esaminare diversi tipi di cellule per la rigenerazione dei tessuti, diagnostica della malattia, o trattamento farmacologico, Per esempio, vedere come si diffondono le cellule malate, o vedere come le cellule tumorali rispondono a diversi trattamenti farmacologici".
