研究人員利用一種納米光子學方法觀察細胞分泌物的實時產生，包括蛋白質和抗體；這一進展可能有助於癌症治療、疫苗和其他療法的發展。日內瓦大學和BIOnanophotonic系統實驗室的研究人員的一種新的光學成像方法提供了細胞分泌物的4D視圖，提供了關於細胞功能和交流的前所未有的細節。該技術在藥品開發和基礎研究以及單個細胞篩選方面具有重大潛力。

單細胞微孔陣列。日內瓦大學和BIOnanophotonic系統實驗室的研究人員開發了一種突破性的光學成像技術，在空間和時間上提供了細胞分泌物的4D視圖。通過利用一個納米結構的鍍金芯片和誘導質子共振，科學家們可以在分泌物產生時繪製它們，同時觀察細胞形狀和運動。這種方法在藥品開發和基礎研究方面有很大的潛力，可以詳細了解細胞的功能和交流方式。該技術允許以高通量的方式對細胞進行單獨篩選，捕捉到生物過程的異質性，如免疫反應和癌細胞。資料來源：BIOS EPFL

細胞分泌物如蛋白質、抗體和神經遞質在免疫反應、新陳代謝和細胞間的交流中發揮著重要作用。了解細胞分泌物是開發疾病治療方法的關鍵，但目前的方法只能報告分泌物的數量，而對它們產生的時間和地點沒有任何細節。

現在，工程學院BIOnanophotonic系統實驗室（BIOS）和日內瓦大學的研究人員已經開發出一種新的光學成像方法，在空間和時間上對細胞分泌物進行四維觀察。通過將單個細胞放置在一個納米結構的鍍金芯片的微孔中，然後在芯片表面誘導一種被稱為質子共振的現象，他們能夠在分泌物產生時繪製它們，同時觀察細胞形狀和運動。

由於它提供了一個前所未有的關於細胞如何運作和交流的詳細視圖，科學家們認為他們的方法（4月3日發表在《自然-生物醫學工程》雜誌上）在藥品開發和基礎研究方面具有”巨大的”潛力。

芯片上的單細胞。

“我們工作的一個關鍵方面是，它允許我們以高通量的方式單獨篩選細胞。對許多細胞的平均反應的集體測量不能反映它們的異質性……而在生物學中，一切都具有異質性，從免疫反應到癌症細胞。這就是為什麼癌症如此難以治療，”BIOS負責人Hatice Altug說。

一百萬個傳感元件

科學家們的方法的核心是一個1平方厘米的納米光子芯片，由數百萬個小孔組成，並有數百個用於單個細胞的腔室。該芯片由一個納米結構的黃金基底製成，上面覆蓋著一個薄的聚合物網。每個腔室都充滿了細胞介質，以便在成像期間保持細胞的活力和健康。

“細胞分泌物就像細胞的話語：它們在時間和空間上動態地散開，與其他細胞連接。我們的技術在這些’話語’傳播的地點和距離方面捕捉到了關鍵的異質性，”BIOS博士生和第一作者Saeid Ansaryan說。

納米光子學部分得益於一束光，它使金電子發生振盪。納米結構被設計成只有某些波長可以穿透它。當有東西–如蛋白質分泌在芯片表面發生以改變通過的光線時，光譜會發生變化。一個CMOS（互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器和一個LED將這種轉變轉化為CMOS像素上的強度變化。

“我們的設備的優點是，分佈在整個表面的納米孔將每一個點都變成了一個感應元件。這使我們能夠觀察到釋放的蛋白質的空間模式，而不考慮細胞的位置，”Ansaryan說。

該方法使科學家們得以一窺兩個基本的細胞過程–細胞分裂和細胞死亡–並研究微妙的分泌抗體的人類供體B細胞。

我們看到了在兩種形式的細胞死亡中釋放的細胞內容，即細胞凋亡和壞死。在後者中，內容是以不對稱的爆發方式釋放的，導致圖像簽名或指紋。這在以前從未在單細胞水平上顯示過。

篩選細胞健康狀況

由於該方法將細胞浸泡在有營養的細胞培養基中，並且不需要其他成像技術所使用的有毒熒光標籤，研究中的細胞可以很容易地被恢復。這使得該方法在開發藥物、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治療方法的反應。

Ansaryan說：”由於一個細胞產生的分泌物的數量和模式是確定其整體有效性的代理，我們也可以想像免疫療法的應用，在那裡你篩選病人的免疫細胞以確定那些最有效的細胞，然後創建一個這些細胞的殖民地。”