摘要：EPFL研究人員使用納米等離子體方法實時觀察細胞分泌物的產生，包括蛋白質和抗體;這一進步可能有助于癌癥治療、疫苗和其他療法的發展。
細胞分泌物如蛋白質、抗體和神經遞質在免疫反應、代謝和細胞之間的交流中起著至關重要的作用。了解細胞分泌物是開發疾病治療的關鍵，但目前的方法只能報告分泌物的數量，而不能詳細說明它們是在何時何地產生的。
現在，工程學院和日內瓦大學的生物納米光子系統實驗室(BIOS)的研究人員開發了一種新的光學成像方法，可以在空間和時間上提供細胞分泌物的四維視圖。通過將單個細胞放入納米結構鍍金芯片的微觀孔中，然后在芯片表面誘導一種稱為等離子共振的現象，他們能夠在分泌分泌物時繪制出它們，同時觀察細胞的形狀和運動。
科學家們認為，他們最近發表在《自然生物醫學工程》(Nature Biomedical Engineering)上的方法，在藥物開發和基礎研究方面具有“巨大"潛力，因為它提供了關于細胞如何功能和通信的詳細視圖。
圖1 新的光學成像方法提供了關于細胞如何功能和通信的詳細視圖
“我們工作的一個關鍵方面是，它允許我們以高通量的方式逐個篩選細胞。對許多細胞平均反應的集體測量并不能反映它們的異質性……在生物學中，從免疫反應到癌細胞，一切都是異質性的。這就是為什么癌癥如此難以治療，"BIOS負責人Hatice Altug說。
數以萬計的傳感元件
科學家們的方法的核心是1厘米平米的納米等離子體芯片由數百萬個小孔和數百個用于單個細胞的腔室組成。該芯片由納米結構的黃金基材制成，上面覆蓋著一層薄薄的聚合物網。每個腔室都充滿細胞培養基，以保持細胞在成像過程中存活和健康。
“細胞分泌物就像細胞的語言:它們在時間和空間上動態擴散，與其他細胞連接。我們的技術在這些‘詞語’傳播的位置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。
納米等離子體部分是由于光束的作用與金電子振蕩。這種納米結構經過精心設計，只有特定的波長才能穿透它。當蛋白質分泌等物質在芯片表面發生變化，改變了通過的光線時，光譜就會發生變化。CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器和LED將這種變化轉化為CMOS像素的強度變化。
我們儀器的美妙之處在于，分布在整個表面的納米孔將每個點轉化為傳感元件。這使我們能夠觀察到釋放蛋白質的空間模式，而不受細胞位置的影響，"Ansaryan說。
這種方法使科學家們得以一瞥細胞的兩個基本過程——細胞分裂和細胞死亡，并研究了分泌抗體的人體供體B細胞。
“我們看到在細胞死亡的兩種形式，凋亡和壞死過程中釋放的細胞內容物。在后者中，內容以不對稱的爆發形式發布，從而產生圖像簽名或指紋。這在單細胞水平上從未被證明過，"Altug說。
圖2 等離子體單細胞微孔陣列系統
細胞適應度篩選
由于該方法將細胞浸泡在營養細胞介質中，并且不需要其他成像技術使用的有毒熒光標簽，因此可以很容易地恢復所研究的細胞。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療法的反應。
Ansaryan說:“由于細胞產生的分泌物的數量和模式是決定其整體有效性的代表，我們也可以想象免疫治療的應用，即篩選患者的免疫細胞，以確定哪些是最(空)有效的，然后創建一個這些細胞的菌群。"
參考資料：
[1]High-throughput spatiotemporal monitoring of single-cell secretions via plasmonic microwell arrays
