La imagen confocal de fluorescencia de una sola célula HeLa viva muestra que a través de la nanoendoscopia se ha entregado un grupo de puntos cuánticos (punto rojo) al citoplasma dentro de la membrana (verde) de la célula. Cortesía de Berkeley Lab
(PhysOrg.com):un endoscopio que puede proporcionar imágenes ópticas de alta resolución del interior de una sola célula viva, o entregar genes con precisión, proteínas, medicamentos terapéuticos u otra carga sin dañar o dañar la célula, ha sido desarrollado por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab). Esta sonda óptica basada en nanocables, altamente versátil y mecánicamente robusta, también se puede aplicar a la electrofisiología biosensorial y de celda única.
Un equipo de investigadores del Laboratorio de Berkeley y la Universidad de California (UC) en Berkeley adjuntó una guía de ondas de nanocables de óxido de estaño al extremo cónico de una fibra óptica para crear un nuevo sistema de endoscopio. La luz que viaja a lo largo de la fibra óptica se puede acoplar eficazmente al nanoalambre donde se vuelve a emitir al espacio libre cuando llega a la punta. La punta del nanoalambre es extremadamente flexible debido a su pequeño tamaño y alta relación de aspecto, sin embargo, puede soportar repetidas flexiones y pandeo, por lo que se puede utilizar varias veces.
"Al combinar las ventajas de las guías de ondas de nanocables y las imágenes de fluorescencia de fibra óptica, Podemos manipular la luz a nanoescala dentro de células vivas para estudiar procesos biológicos dentro de células vivas individuales con alta resolución espacial y temporal. "dice Peidong Yang, químico de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, quien dirigió esta investigación. "Hemos demostrado que nuestro endoscopio basado en nanocables también puede detectar señales ópticas de regiones subcelulares y, a través de mecanismos activados por la luz, puede entregar cargas útiles en celdas con especificidad espacial y temporal ".
Yang, quien también tiene nombramientos en el Departamento de Química y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo en la revista Nanotecnología de la naturaleza describiendo este trabajo titulado "Endoscopia unicelular basada en nanocables". Los coautores del artículo fueron Ruoxue Yan, Parque Ji-Ho, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang y Luke Lee.
Imágenes de un endoscopio de nanocables en estrecho contacto con un grupo de puntos cuánticos en una celda HeLa (izquierda), y separados verticalmente del grupo por 2 mm (centro) y horizontalmente por 6 mm (derecha). Los círculos y flechas de colores marcan la posición del grupo y el movimiento del endoscopio.
A pesar de los importantes avances en microscopía electrónica y de sonda de barrido, La microscopía de luz visible sigue siendo el caballo de batalla para el estudio de células biológicas. Debido a que las células son ópticamente transparentes, se pueden obtener imágenes de forma no invasiva con luz visible en tres dimensiones. También, la luz visible permite el etiquetado fluorescente y la detección de componentes celulares, como las proteínas, ácidos nucleicos y lípidos. El único inconveniente de las imágenes de luz visible en biología ha sido la barrera de difracción, que evita que la luz visible resuelva estructuras menores a la mitad de la longitud de onda de la luz incidente. Los recientes avances en nanofotónica han hecho posible superar esta barrera y poner a la vista los componentes subcelulares con sistemas de imágenes ópticas. Sin embargo, tales sistemas son complejos, caro y, por extraño que parezca, voluminoso en tamaño.
"Previamente, Demostramos que las guías de ondas de nanocables dieléctricas de sublongitud de onda pueden transportar de manera eficiente la luz ultravioleta y visible en el aire y los medios fluídicos, ", Dice Yang." Al incorporar uno de nuestros componentes nanofotónicos en un simple, bajo costo, configuración de fibra óptica de mesa, pudimos miniaturizar nuestro sistema endoscópico ".
Para probar su endoscopio de nanocables como fuente de luz local para imágenes subcelulares, Yang y sus coautores lo acoplaron ópticamente a un láser de excitación y luego guiaron la luz azul a través de la membrana y al interior de las células HeLa individuales. la línea celular humana inmortalizada más utilizada para la investigación científica.
"La salida óptica de la emisión del endoscopio estaba estrechamente confinada a la punta del nanoalambre y, por lo tanto, ofrecía una iluminación altamente direccional y localizada, ", Dice Yang." La inserción de nuestro nanoalambre de óxido de estaño en el citoplasma celular
no indujo la muerte celular, apoptosis, estrés celular significativo, o ruptura de la membrana. Es más, Iluminar el entorno intracelular de las células HeLa con luz azul utilizando la nanoprobe no dañó las células porque el volumen de iluminación era muy pequeño, hasta la escala de picolitros ".
Este esquema muestra la imagen subcelular de puntos cuánticos en una célula viva utilizando un endoscopio de nanocables. Crédito:(Cortesía de Berkeley Lab)
Habiendo demostrado la biocompatibilidad de su endoscopio de nanocables, A continuación, Yang y sus coautores probaron sus capacidades para entregar cargas útiles a sitios específicos dentro de una celda. Si bien se han informado sistemas de suministro de una sola celda basados en nanotubos de nitruro de boro y carbono, estos sistemas sufren tiempos de entrega que oscilan entre 20 y 30 minutos, más una falta de control temporal sobre el proceso de entrega. Para superar estas limitaciones, Yang y sus coautores adjuntaron puntos cuánticos a la punta del nanoalambre de óxido de estaño de su endoscopio utilizando enlazadores fotoactivados que pueden ser escindidos por radiación ultravioleta de baja potencia. Dentro de un minuto, su endoscopio de nanocables funcionalizado fue capaz de liberar su carga de puntos cuánticos en los sitios intracelulares objetivo.
"El escaneo de microscopía confocal de la célula confirmó que los puntos cuánticos se entregaron con éxito a través de la membrana marcada con fluorescencia y en el citoplasma, "Dice Yang." La fotoactivación para liberar los puntos no tuvo un efecto significativo sobre la viabilidad celular ".
La luz láser azul altamente direccional se utilizó para excitar uno de los dos grupos de puntos cuánticos que se ubicaron a solo dos micrómetros de distancia. Con el área de iluminación ajustada y la pequeña separación entre la fuente de luz y los puntos, Se aseguraron una baja fluorescencia de fondo y un alto contraste de imágenes.
"En el futuro, además de imágenes ópticas y entrega de carga, También podríamos usar este endoscopio de nanocables para estimular eléctrica u ópticamente una célula viva, "Dice Yang.
Los nanocables utilizados en estos experimentos se desarrollaron originalmente para estudiar nuevas propiedades electrónicas y ópticas dependientes del tamaño para aplicaciones energéticas.
