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摘要：EPFL研究人員使用納米等離子體方法實時觀察細胞分泌物的產(chǎn)生，包括蛋白質(zhì)和抗體;這一進步可能有助于癌癥治療、疫苗和其他療法的發(fā)展。
細胞分泌物如蛋白質(zhì)、抗體和神經(jīng)遞質(zhì)在免疫反應(yīng)、代謝和細胞之間的交流中起著至關(guān)重要的作用。了解細胞分泌物是開發(fā)疾病治療的關(guān)鍵，但目前的方法只能報告分泌物的數(shù)量，而不能詳細說明它們是在何時何地產(chǎn)生的。
現(xiàn)在，工程學(xué)院和日內(nèi)瓦大學(xué)的生物納米光子系統(tǒng)實驗室(BIOS)的研究人員開發(fā)了一種新的光學(xué)成像方法，可以在空間和時間上提供細胞分泌物的四維視圖。通過將單個細胞放入納米結(jié)構(gòu)鍍金芯片的微觀孔中，然后在芯片表面誘導(dǎo)一種稱為等離子共振的現(xiàn)象，他們能夠在分泌分泌物時繪制出它們，同時觀察細胞的形狀和運動。
科學(xué)家們認為，他們最近發(fā)表在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》(Nature Biomedical Engineering)上的方法，在藥物開發(fā)和基礎(chǔ)研究方面具有“巨大”潛力，因為它提供了關(guān)于細胞如何功能和通信的詳細視圖。
圖1 新的光學(xué)成像方法提供了關(guān)于細胞如何功能和通信的詳細視圖
“我們工作的一個關(guān)鍵方面是，它允許我們以高通量的方式逐個篩選細胞。對許多細胞平均反應(yīng)的集體測量并不能反映它們的異質(zhì)性……在生物學(xué)中，從免疫反應(yīng)到癌細胞，一切都是異質(zhì)性的。這就是為什么癌癥如此難以治療，”BIOS負責(zé)人Hatice Altug說。
數(shù)以萬計的傳感元件
科學(xué)家們的方法的核心是1厘米平米的納米等離子體芯片由數(shù)百萬個小孔和數(shù)百個用于單個細胞的腔室組成。該芯片由納米結(jié)構(gòu)的黃金基材制成，上面覆蓋著一層薄薄的聚合物網(wǎng)。每個腔室都充滿細胞培養(yǎng)基，以保持細胞在成像過程中存活和健康。
“細胞分泌物就像細胞的語言:它們在時間和空間上動態(tài)擴散，與其他細胞連接。我們的技術(shù)在這些‘詞語’傳播的位置和距離方面捕捉到了關(guān)鍵的異質(zhì)性，”BIOS博士生和第一作者Saeid Ansaryan說。
納米等離子體部分是由于光束的作用與金電子振蕩。這種納米結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計，只有特定的波長才能穿透它。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分泌等物質(zhì)在芯片表面發(fā)生變化，改變了通過的光線時，光譜就會發(fā)生變化。CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器和LED將這種變化轉(zhuǎn)化為CMOS像素的強度變化。
我們儀器的美妙之處在于，分布在整個表面的納米孔將每個點轉(zhuǎn)化為傳感元件。這使我們能夠觀察到釋放蛋白質(zhì)的空間模式，而不受細胞位置的影響，”Ansaryan說。
這種方法使科學(xué)家們得以一瞥細胞的兩個基本過程——細胞分裂和細胞死亡，并研究了分泌抗體的人體供體B細胞。
“我們看到在細胞死亡的兩種形式，凋亡和壞死過程中釋放的細胞內(nèi)容物。在后者中，內(nèi)容以不對稱的爆發(fā)形式發(fā)布，從而產(chǎn)生圖像簽名或指紋。這在單細胞水平上從未被證明過，”Altug說。
圖2 等離子體單細胞微孔陣列系統(tǒng)
細胞適應(yīng)度篩選
由于該方法將細胞浸泡在營養(yǎng)細胞介質(zhì)中，并且不需要其他成像技術(shù)使用的有毒熒光標(biāo)簽，因此可以很容易地恢復(fù)所研究的細胞。這使得該方法在開發(fā)藥物、疫苗和其他治療方法方面具有巨大的潛力;例如，幫助研究人員了解細胞在個體水平上對不同療法的反應(yīng)。
Ansaryan說:“由于細胞產(chǎn)生的分泌物的數(shù)量和模式是決定其整體有效性的代表，我們也可以想象免疫治療的應(yīng)用，即篩選患者的免疫細胞，以確定哪些是最(空)有效的，然后創(chuàng)建一個這些細胞的菌群。”
參考資料：
[1]High-throughput spatiotemporal monitoring of single-cell secretions via plasmonic microwell arrays
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