Een nieuwe fotonische chipscope voor labelvrije monitoring van levende celactiviteiten

Labelvrije, niet-invasieve en kwantitatieve monitoring van cellulaire activiteiten is cruciaal voor het begrijpen van verschillende biologische processen en de reactie van cellen op therapeutische geneesmiddelen.

Bestaande benaderingen worden echter vaak gehinderd door hun meerdere tijdrovende voorbereidingsstappen, gecompliceerde apparaten en incompatibiliteit die de cellen kunnen verstoren en ongewenste invloed op hen kunnen veroorzaken.

Een interdisciplinair onderzoeksteam onder leiding van Dr. Zhiqin Chu van het Department of Electrical and Electronic Engineering van de Universiteit van Hong Kong (HKU) en Dr. Yuan Lin van het Department of Mechanical Engineering, HKU, in samenwerking met Dr. Kwai Hei Li van Southern University of Science and Technology, heeft een goedkope, zeer geminiaturiseerde en incubatorcompatibele GaN-chipscoop ontwikkeld, die realtime monitoring van cellen in de beperkte en vochtige ruimte van een incubator mogelijk maakt.

Dit praktische apparaat zou nieuwe inzichten verschaffen in het fundamentele onderzoek van celbiologie en het ontdekken van geneesmiddelen en helpen bij de ontwikkeling van een nieuwe generatie biosensoren. Het team heeft een voorlopig Amerikaans octrooi aangevraagd.

In vergelijking met conventionele fluorescentiemoleculen en op radionucliden gebaseerde labelingstechnieken, maakt labelvrije analyse het mogelijk om veranderingen in biosignalen in realtime te volgen zonder kunstmatige manipulatie van individuele monsters. Het zorgt ervoor dat de beoogde monsters hun intrinsieke toestand behouden, waardoor de bijwerkingen op de natieve conformatie en biologische activiteit van de beoogde liganden, cellen of weefsels worden geminimaliseerd.

Tot op heden is de toonaangevende labelvrije detectietechnologie op de markt de op elektrische impedantie gebaseerde micro-elektronische sensoren. Deze elektrische sensor bevat een reeks gouden biosensoren die in de putplaat zijn geïntegreerd, waardoor realtime impedantiedetectie mogelijk is om de aan de levende celadhesie gerelateerde dynamiek te volgen en te kwantificeren. Het elektrische veld dat daar wordt gebruikt, kan echter mogelijk interfereren met monsters die gevoelig zijn voor elektrische signalen, zoals zenuwen en myocardium.

Als alternatieven hebben optische evanescentieveldgebaseerde detectiebenaderingen, waaronder resonante golfgeleiderroosterbiosensor (RWG) en oppervlakteplasmonresonantie (SPR), de afgelopen jaren veel belangstelling getrokken vanwege hun niet-invasieve en labelvrije aard. Hoewel deze technologieën een superieure optische precisie hebben en op grote schaal zijn gebruikt bij de studie van interacties tussen biomoleculen en de detectie van levende celactiviteiten, is er een grote vraag naar de testconditie en de algehele opstelling, wat grote beperkingen oplegt aan hun brede toepassingen in diverse omgevingen.

De gevestigde op GaN gebaseerde monolithische chipscope integreert een aangepaste mini differentiële interferentiecontrast (DIC)-microscoop die de voortgang van verschillende intracellulaire processen kwantitatief kan volgen op een labelvrije manier. Het maakt niet alleen een foto-elektrische uitlezing van cellulaire/subcellulaire brekingsindex (RI) veranderingen mogelijk, maar ook de real-time beeldvorming van cellulaire/subcellulaire ultrastructurele kenmerken in de incubator.

Het hart van dit systeem is een geminiaturiseerde GaN-fotonische chip die microschaal InGaN/GaN-gebaseerde lichtemissie- en fotodetectiesubeenheden (LED-PD) integreert. Het unieke gestapelde ontwerp van gedistribueerde Bragg-reflector kan de efficiëntie van de lichtverzameling drastisch verbeteren.

De geminiaturiseerde GaN-fotonische chip is in staat tot foto-elektrische detectie, waardoor de realtime brekingsindexbewaking mogelijk wordt die wordt veroorzaakt door het collectieve celgedrag op het chipoppervlak. Ondertussen kunnen gebruikers, profiterend van het geïntegreerde mini-DIC-beeldvormingssysteem, de veranderingen in de celmorfologie duidelijk in realtime vastleggen. Door de beeldvormingseenheid en RI-detectieeenheid te koppelen, kan het platform het celgedrag in situ kwantitatief herkennen, inclusief celprecipitatie, initiële hechting, verspreiding, krimp, enz. Deze praktische, gebruiksklare celanalysator is met succes toegepast in de farmaceutische industrie. activiteitsscreening en immuuncelfenotypes transformeren spoor.

Dit onderzoek breidt de toepassingen van GaN-fotonische chips in het biosensing-gebied uit. Met name de gecombineerde strategie van chipsensor en optische beeldvorming overstijgt de grenzen van de conventionele “fotonische chip”- en “microscopie”-bewakingsprocessen. De resulterende “chipscope” vertegenwoordigt een belangrijke en opwindende vooruitgang in de ontwikkeling van biosensoren.

Het onderzoekswerk is gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap.