Credito:Università di Hong Kong
Il monitoraggio quantitativo, non invasivo e privo di etichette delle attività cellulari è fondamentale per comprendere vari processi biologici e la risposta delle cellule ai farmaci terapeutici.
Tuttavia, gli approcci esistenti sono spesso ostacolati dalle loro molteplici fasi di preparazione che richiedono tempo, dall'apparato complicato e dall'incompatibilità che possono interferire con le cellule e causare un'influenza indesiderata su di esse.
Un gruppo di ricerca interdisciplinare guidato dal Dr. Zhiqin Chu del Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell'Università di Hong Kong (HKU) e dal Dr. Yuan Lin del Dipartimento di Ingegneria Meccanica, HKU, in collaborazione con il Dr. Kwai Hei Li di La Southern University of Science and Technology ha sviluppato un chipscope GaN a basso costo, altamente miniaturizzato e compatibile con l'incubatrice, che consente il monitoraggio in tempo reale delle cellule nello spazio limitato e umido di un'incubatrice.
Questo dispositivo pratico fornirebbe nuove informazioni sulla ricerca fondamentale della biologia cellulare e sulla scoperta di farmaci e assisterebbe nello sviluppo di una nuova generazione di biosensori. Il team ha depositato un brevetto provvisorio negli Stati Uniti.
Rispetto alle molecole di fluorescenza convenzionali e alle tecniche di etichettatura basate sui radionuclidi, l'analisi senza etichetta consente di monitorare i cambiamenti dei biosegnali in tempo reale senza manipolazioni artificiali dei singoli campioni. Consente ai campioni presi di mira di mantenere i loro stati intrinseci, riducendo al minimo gli effetti collaterali sulla conformazione nativa e sull'attività biologica dei ligandi, delle cellule o dei tessuti presi di mira.
Ad oggi, la tecnologia di rilevamento senza etichetta leader sul mercato è rappresentata dai sensori microelettronici basati sul rilevamento dell'impedenza elettrica. Questo sensore elettrico contiene una serie di biosensori d'oro integrati nella piastra del pozzo, consentendo il rilevamento dell'impedenza in tempo reale per tracciare e quantificare le dinamiche relative all'adesione delle cellule viventi. Tuttavia, il campo elettrico impiegato potrebbe potenzialmente interferire con i campioni sensibili ai segnali elettrici, come i nervi e il miocardio.
In alternativa, gli approcci di rilevamento basati sul campo dell'evanescenza ottica, inclusi il biosensore a guida d'onda risonante (RWG) e la risonanza plasmonica di superficie (SPR), hanno attirato un intenso interesse negli ultimi anni a causa della loro natura non invasiva e priva di etichette. Sebbene queste tecnologie abbiano una precisione ottica superiore e siano state ampiamente utilizzate nello studio delle interazioni di biomolecole e nel rilevamento delle attività delle cellule viventi, hanno una forte domanda per le condizioni di test e l'impostazione generale, ponendo grandi vincoli alle loro ampie applicazioni in ambienti diversi.
L'affermato chipscope monolitico basato su GaN integra un microscopio a contrasto di interferenza differenziale (DIC) personalizzato in grado di monitorare quantitativamente la progressione di diversi processi intracellulari in modo privo di etichette. Consente non solo una lettura fotoelettrica dei cambiamenti dell'indice di rifrazione cellulare/subcellulare (RI), ma anche l'imaging in tempo reale delle caratteristiche ultrastrutturali cellulari/subcellulari nell'incubatrice.
Il cuore di questo sistema è un chip fotonico GaN miniaturizzato che integra subunità di emissione di luce e fotorilevamento (LED-PD) basate su InGaN/GaN su microscala. Il suo esclusivo design impilato del riflettore Bragg distribuito può migliorare notevolmente l'efficienza di raccolta della luce.
Il chip fotonico GaN miniaturizzato è in grado di rilevare fotoelettriche, consentendo il monitoraggio dell'indice di rifrazione in tempo reale indotto dai comportamenti delle celle collettive sulla superficie del chip. Nel frattempo, beneficiando del sistema di imaging mini-DIC integrato, gli utenti possono acquisire chiaramente i cambiamenti della morfologia cellulare in tempo reale. Accoppiando l'unità di imaging e l'unità di rilevamento RI, la piattaforma può riconoscere quantitativamente i comportamenti cellulari in situ, tra cui precipitazione cellulare, attacco iniziale, diffusione, restringimento, ecc. Questo pratico analizzatore cellulare pronto all'uso è stato applicato con successo in ambito farmaceutico screening dell'attività e traccia di trasformazione dei fenotipi delle cellule immunitarie.
Questa ricerca espande le applicazioni dei chip fotonici GaN nell'area del biorilevamento. In particolare, la strategia combinata del sensore del chip e dell'imaging ottico trascende i confini dei tradizionali processi di monitoraggio del "chip fotonico" e della "microscopia". Il "chipscope" risultante rappresenta un progresso significativo ed entusiasmante nello sviluppo dei biosensori.
Il lavoro di ricerca è stato pubblicato su Advanced Science . + Esplora ulteriormente
