La monitorización cuantitativa, no invasiva y sin etiquetas de las actividades celulares es crucial para comprender varios procesos biológicos y la respuesta de las células a los fármacos terapéuticos.

Sin embargo, los enfoques existentes a menudo se ven obstaculizados por sus múltiples pasos de preparación que consumen mucho tiempo, aparatos complicados e incompatibilidad que pueden interferir con las células y causar una influencia no deseada en ellas.

Un equipo de investigación interdisciplinario dirigido por el Dr. Zhiqin Chu del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Hong Kong (HKU) y el Dr. Yuan Lin del Departamento de Ingeniería Mecánica, HKU, en colaboración con el Dr. Kwai Hei Li de Southern University of Science and Technology, ha desarrollado un chipscopio GaN de bajo costo, altamente miniaturizado y compatible con incubadoras, que permite el monitoreo en tiempo real de las células en el espacio limitado y húmedo de una incubadora.

Este práctico dispositivo proporcionaría nuevos conocimientos sobre la investigación fundamental de la biología celular y el descubrimiento de fármacos y ayudaría en el desarrollo de una nueva generación de biosensores. El equipo ha solicitado una patente provisional de EE. UU.

En comparación con las moléculas de fluorescencia convencionales y las técnicas de etiquetado basadas en radionúclidos, el análisis sin etiquetas permite monitorear los cambios de bioseñales en tiempo real sin manipulación artificial de muestras individuales. Permite que las muestras seleccionadas conserven sus estados intrínsecos, minimizando los efectos secundarios en la conformación nativa y la actividad biológica de los ligandos, células o tejidos seleccionados.

Hasta la fecha, la tecnología de detección sin etiquetas líder en el mercado son los sensores microelectrónicos basados ​​en la detección de impedancia eléctrica. Este sensor eléctrico contiene una matriz de biosensores de oro integrados en la placa de pozo, lo que permite la detección de impedancia en tiempo real para rastrear y cuantificar la dinámica relacionada con la adhesión de células vivas. Sin embargo, el campo eléctrico empleado allí podría interferir potencialmente con muestras sensibles a señales eléctricas, como nervios y miocardio.

Como alternativas, los enfoques de detección basados ​​en campos de evanescencia óptica, incluido el biosensor de rejilla de guía de ondas resonante (RWG) y la resonancia de plasmón superficial (SPR), han atraído un gran interés en los últimos años debido a su naturaleza no invasiva y sin etiquetas. Aunque estas tecnologías tienen una precisión óptica superior y se han utilizado ampliamente en el estudio de las interacciones de biomoléculas y la detección de actividades de células vivas, tienen una gran demanda para las condiciones de prueba y la configuración general, lo que plantea grandes limitaciones para sus amplias aplicaciones en diversos entornos.

El chipscopio monolítico basado en GaN establecido integra un mini microscopio de contraste de interferencia diferencial (DIC) personalizado que puede monitorear cuantitativamente la progresión de diferentes procesos intracelulares sin etiquetas. Permite no solo una lectura fotoeléctrica de los cambios del índice de refracción (RI) celular/subcelular, sino también la obtención de imágenes en tiempo real de las características ultraestructurales celulares/subcelulares en la incubadora.

El corazón de este sistema es un chip fotónico de GaN miniaturizado que integra subunidades de fotodetección y emisión de luz basadas en InGaN/GaN a microescala (LED-PD). Su exclusivo diseño apilado de reflector Bragg distribuido puede mejorar drásticamente la eficiencia de captación de luz.

El chip fotónico de GaN miniaturizado es capaz de detección fotoeléctrica, lo que permite el control del índice de refracción en tiempo real inducido por los comportamientos colectivos de las células en la superficie del chip. Mientras tanto, al beneficiarse del sistema integrado de imágenes mini-DIC, los usuarios pueden capturar claramente los cambios de morfología celular en tiempo real. Al acoplar la unidad de imagen y la unidad de detección RI, la plataforma puede reconocer cuantitativamente los comportamientos celulares in situ, incluida la precipitación celular, la fijación inicial, la expansión, la contracción, etc. Este analizador celular práctico y listo para usar se ha aplicado con éxito en la industria farmacéutica. detección de actividad y seguimiento de transformación de fenotipos de células inmunitarias.

Esta investigación amplía las aplicaciones de los chips fotónicos de GaN en el área de biodetección. En particular, la estrategia combinada de sensor de chip e imagen óptica trasciende los límites de los procesos de monitoreo convencionales de "chip fotónico" y "microscopía". El "chipscopio" resultante representa un avance significativo y emocionante en el desarrollo de biosensores.

El trabajo de investigación fue publicado en Advanced Science . + Explora más

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