在4D中看到细胞：疾病治疗和药物发现的纳米光子的未来
研究人员利用一种纳米光子学方法观察细胞分泌物的实时产生，包括蛋白质和抗体；这一进展可能有助於癌症治疗、疫苗和其他疗法的发展。日内瓦大学和BIOnanophotonic系统实验室的研究人员的一种新的光学成像方法提供了细胞分泌物的4D视图，提供了关於细胞功能和交流的前所未有的细节。该技术在药品开发和基础研究以及单个细胞筛选方面具有重大潜力。
单细胞微孔阵列。日内瓦大学和BIOnanophotonic系统实验室的研究人员开发了一种突破性的光学成像技术，在空间和时间上提供了细胞分泌物的4D视图。通过利用一个纳米结构的镀金晶元和诱导质子共振，科学家们可以在分泌物产生时绘制它们，同时观察细胞形状和运动。这种方法在药品开发和基础研究方面有很大的潜力，可以详细了解细胞的功能和交流方式。该技术允许以高通量的方式对细胞进行单独筛选，捕捉到生物过程的异质性，如免疫反应和癌细胞。资料来源：BIOS EPFL
细胞分泌物如蛋白质、抗体和神经递质在免疫反应、新陈代谢和细胞间的交流中发挥着重要作用。了解细胞分泌物是开发疾病治疗方法的关键，但目前的方法只能报告分泌物的数量，而对它们产生的时间和地点没有任何细节。
现在，工程学院BIOnanophotonic系统实验室（BIOS）和日内瓦大学的研究人员已经开发出一种新的光学成像方法，在空间和时间上对细胞分泌物进行四维观察。通过将单个细胞放置在一个纳米结构的镀金晶元的微孔中，然後在晶元表面诱导一种被称为质子共振的现象，他们能够在分泌物产生时绘制它们，同时观察细胞形状和运动。
由於它提供了一个前所未有的关於细胞如何运作和交流的详细视图，科学家们认为他们的方法（4月3日发表在《自然-生物医学工程》杂志上）在药品开发和基础研究方面具有”巨大的”潜力。
晶元上的单细胞。
“我们工作的一个关键方面是，它允许我们以高通量的方式单独筛选细胞。对许多细胞的平均反应的集体测量不能反映它们的异质性……而在生物学中，一切都具有异质性，从免疫反应到癌症细胞。这就是为什麽癌症如此难以治疗，”BIOS负责人Hatice Altug说。
一百万个感测元件
科学家们的方法的核心是一个1平方厘米的纳米光子晶元，由数百万个小孔组成，并有数百个用於单个细胞的腔室。该晶元由一个纳米结构的黄金基底制成，上面覆盖着一个薄的聚合物网。每个腔室都充满了细胞介质，以便在成像期间保持细胞的活力和健康。
“细胞分泌物就像细胞的话语：它们在时间和空间上动态地散开，与其他细胞连接。我们的技术在这些”话语”传播的地点和距离方面捕捉到了关键的异质性，”BIOS博士生和第一作者Saeid Ansaryan说。
纳米光子学部分得益於一束光，它使金电子发生振荡。纳米结构被设计成只有某些波长可以穿透它。当有东西–如蛋白质分泌在晶元表面发生以改变通过的光线时，光谱会发生变化。一个CMOS（互补金属氧化物半导体）图像感测器和一个LED将这种转变转化为CMOS像素上的强度变化。
“我们的设备的优点是，分布在整个表面的纳米孔将每一个点都变成了一个感应元件。这使我们能够观察到释放的蛋白质的空间模式，而不考虑细胞的位置，”Ansaryan说。
该方法使科学家们得以一窥两个基本的细胞过程–细胞分裂和细胞死亡–并研究微妙的分泌抗体的人类供体B细胞。
我们看到了在两种形式的细胞死亡中释放的细胞内容，即细胞凋亡和坏死。在後者中，内容是以不对称的爆发方式释放的，导致图像签名或指纹。这在以前从未在单细胞水平上显示过。
筛选细胞健康状况
由於该方法将细胞浸泡在有营养的细胞培养基中，并且不需要其他成像技术所使用的有毒荧游标签，研究中的细胞可以很容易地被恢复。这使得该方法在开发药物、疫苗和其他治疗方法方面具有巨大的潜力；例如，帮助研究人员了解细胞在个体水平上对不同治疗方法的反应。
Ansaryan说：”由於一个细胞产生的分泌物的数量和模式是确定其整体有效性的代理，我们也可以想像免疫疗法的应用，在那里你筛选病人的免疫细胞以确定那些最有效的细胞，然後创建一个这些细胞的殖民地。”