Nanoplasmonische beeldvorming onthult real-time eiwitafscheiding

EPFL-onderzoekers hebben een nanoplasmonics-benadering gebruikt om de real-time productie van celsecreties, inclusief eiwitten en antilichamen, te observeren; een vooruitgang die zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van kankerbehandelingen, vaccins en andere therapieën.

Celafscheidingen zoals eiwitten, antilichamen en neurotransmitters spelen een essentiële rol bij de immuunrespons, het metabolisme en de communicatie tussen cellen. Het begrijpen van celsecreties is de sleutel voor het ontwikkelen van ziektebehandelingen, maar de huidige methoden kunnen alleen de hoeveelheid secreties rapporteren, zonder enig detail over wanneer en waar ze worden geproduceerd.

Nu hebben onderzoekers van het BIOnanophotonic Systems Laboratory (BIOS) van de School of Engineering en van de Universiteit van Genève een nieuwe benadering voor optische beeldvorming ontwikkeld die een vierdimensionaal beeld geeft van celafscheidingen in zowel ruimte als tijd. Door individuele cellen in microscopisch kleine putjes in een vergulde nanogestructureerde chip te plaatsen en vervolgens een fenomeen genaamd plasmonische resonantie op het oppervlak van de chip te induceren, kunnen ze secreties in kaart brengen terwijl ze worden geproduceerd, terwijl ze de celvorm en beweging observeren.

Omdat het een ongekend gedetailleerd beeld geeft van hoe cellen functioneren en communiceren, geloven de wetenschappers dat hun methode, onlangs gepubliceerd in Natuur Biomedische Technologieheeft een “enorm” potentieel voor zowel farmaceutische ontwikkeling als fundamenteel onderzoek.

“Een belangrijk aspect van ons werk is dat het ons in staat stelt om cellen afzonderlijk op een high-throughput-manier te screenen. Collectieve metingen van de gemiddelde respons van veel cellen weerspiegelen niet hun heterogeniteit… en in de biologie is alles heterogeen, van immuunresponsen tot kankercellen. Daarom is kanker zo moeilijk te behandelen”, zegt BIOS-hoofd Hatice Altug.

Een miljoen sensorelementen

De kern van de methode van de wetenschappers is een 1 cm² nanoplasmonische chip bestaande uit miljoenen kleine gaatjes en honderden kamers voor individuele cellen. De chip is gemaakt van een nanogestructureerd goudsubstraat bedekt met een dun polymeer gaas. Elke kamer is gevuld met een celmedium om de cellen levend en gezond te houden tijdens de beeldvorming.

“Celafscheidingen zijn als de woorden van de cel: ze verspreiden zich dynamisch in tijd en ruimte om verbinding te maken met andere cellen. Onze technologie legt belangrijke heterogeniteit vast in termen van waar en hoe ver deze ‘woorden’ reizen”, zegt BIOS Ph.D. student en eerste auteur Saeid Ansaryan.

Het nanoplasmonics-deel komt binnen dankzij een lichtstraal, waardoor de gouden elektronen gaan oscilleren. De nanostructuur is zo ontworpen dat alleen bepaalde golflengten erin kunnen doordringen. Wanneer iets – zoals eiwituitscheiding – op het oppervlak van de chip plaatsvindt om het passerende licht te veranderen, verschuift het spectrum. Een CMOS-beeldsensor (Complementary Metal Oxide Semiconductor) en een LED vertalen deze verschuiving naar intensiteitsvariaties op de CMOS-pixels.

“Het mooie van ons apparaat is dat de nanogaten die over het hele oppervlak zijn verspreid, elke plek in een sensorelement transformeren. Hierdoor kunnen we de ruimtelijke patronen van vrijgegeven eiwitten observeren, ongeacht de celpositie”, zegt Ansaryan.

De methode heeft de wetenschappers in staat gesteld een glimp op te vangen van twee essentiële cellulaire processen – celdeling en celdood – en om delicate B-cellen van menselijke donoren te bestuderen die antilichamen afscheiden.

“We zagen de celinhoud vrijkomen tijdens twee vormen van celdood, apoptose en necroptose. Bij de laatste komt de inhoud vrij in een asymmetrische burst, wat resulteert in een beeldhandtekening of vingerafdruk. Dit is nog nooit eerder getoond bij de eencellige niveau’, zegt Altug.

Screening op celfitness

Omdat de methode de cellen in een voedzaam celmedium baadt en geen toxische fluorescerende labels vereist die door andere beeldvormingstechnologieën worden gebruikt, kunnen de bestudeerde cellen gemakkelijk worden teruggewonnen. Dit geeft de methode een groot potentieel voor gebruik bij het ontwikkelen van farmaceutische medicijnen, vaccins en andere behandelingen; bijvoorbeeld om onderzoekers te helpen begrijpen hoe cellen reageren op verschillende therapieën op individueel niveau.

“Aangezien de hoeveelheid en het patroon van secreties die door een cel worden geproduceerd een proxy zijn voor het bepalen van hun algehele effectiviteit, kunnen we ons ook immunotherapie-toepassingen voorstellen waarbij u immuuncellen van patiënten screent om de meest effectieve cellen te identificeren en vervolgens een kolonie van die cellen te creëren, ‘ zegt Ansaryan.