A imagem confocal de fluorescência de uma única célula viva HeLa mostra que, por meio de nanoendoscopia, um grupo de pontos quânticos (ponto vermelho) foi entregue ao citoplasma dentro da membrana (verde) da célula. Cortesia de Berkeley Lab
(PhysOrg.com) - Um endoscópio que pode fornecer imagens ópticas de alta resolução do interior de uma única célula viva, ou precisamente entregar genes, proteínas, medicamentos terapêuticos ou outra carga sem ferir ou danificar a célula, foi desenvolvido por pesquisadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Esta sonda óptica baseada em nanofios altamente versátil e mecanicamente robusta também pode ser aplicada em biossensor e eletrofisiologia de célula única.
Uma equipe de pesquisadores do Berkeley Lab e da University of California (UC) Berkeley anexou um guia de onda de nanofio de óxido de estanho à extremidade cônica de uma fibra óptica para criar um novo sistema de endoscópio. A luz que viaja ao longo da fibra óptica pode ser efetivamente acoplada ao nanofio, onde é reemitida para o espaço livre quando atinge a ponta. A ponta do nanofio é extremamente flexível devido ao seu tamanho pequeno e alta proporção, ainda assim, pode suportar dobras e empenamentos repetidos para que possa ser usado várias vezes.
"Ao combinar as vantagens de guias de onda de nanofios e imagens de fluorescência de fibra óptica, podemos manipular a luz em nanoescala dentro de células vivas para estudar processos biológicos dentro de células vivas individuais com alta resolução espacial e temporal, "diz Peidong Yang, um químico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, quem liderou esta pesquisa. "Mostramos que nosso endoscópio baseado em nanofios também pode detectar sinais ópticos de regiões subcelulares e, através de mecanismos ativados por luz, pode entregar cargas úteis em células com especificidade espacial e temporal. "
Yang, que também possui nomeações no Departamento de Química e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da University of California Berkeley, é o autor correspondente de um artigo na revista Nature Nanotechnology descrevendo este trabalho intitulado "Endoscopia de célula única baseada em nanowire." Os co-autores do artigo foram Ruoxue Yan, Ji-Ho Park, Yeonho Choi, Chul-Joon Heo, Seung-Man Yang e Luke Lee.
Imagens de um endoscópio de nanofio em contato próximo com um aglomerado de pontos quânticos em uma célula HeLa (à esquerda), e separados verticalmente do cluster por 2 mm (meio) e horizontalmente por 6 mm (direita). Círculos coloridos e setas marcam a posição do cluster e o movimento do endoscópio.
Apesar dos avanços significativos na microscopia eletrônica e de varredura por sonda, a microscopia de luz visível continua sendo o carro-chefe para o estudo de células biológicas. Como as células são opticamente transparentes, eles podem ter imagens não invasivas com luz visível em três dimensões. Também, a luz visível permite a marcação fluorescente e detecção de constituintes celulares, como proteínas, ácidos nucléicos e lipídios. A única desvantagem da imagem de luz visível em biologia tem sido a barreira de difração, que impede que a luz visível resolva estruturas menores que a metade do comprimento de onda da luz incidente. Avanços recentes na nanofotônica tornaram possível superar essa barreira e trazer os componentes subcelulares à vista com sistemas de imagens ópticas. Contudo, tais sistemas são complexos, caro e, curiosamente, volumoso em tamanho.
"Anteriormente, mostramos que os guias de onda dielétricos de nanofios podem transportar com eficiência a luz ultravioleta e a luz visível no ar e meios fluídicos, "Yang diz." Ao incorporar um de nossos componentes nanofotônicos em um simples, baixo custo, configuração de fibra óptica de bancada, fomos capazes de miniaturizar nosso sistema endoscópico. "
Para testar seu endoscópio de nanofio como uma fonte de luz local para imagens subcelulares, Yang e seus co-autores o acoplaram opticamente a um laser de excitação e, em seguida, guiaram a luz azul por ondas através da membrana e para o interior de células HeLa individuais, a linha de células humanas imortalizadas mais comumente usada para pesquisas científicas.
"A saída óptica da emissão do endoscópio estava confinada à ponta do nanofio e, portanto, oferecia iluminação altamente direcional e localizada, "Yang diz." A inserção de nosso nanofio de óxido de estanho no citoplasma da célula
não induziu a morte celular, apoptose, estresse celular significativo, ou ruptura da membrana. Além disso, iluminar o ambiente intracelular de células HeLa com luz azul usando a nanossonda não prejudicou as células porque o volume de iluminação era muito pequeno, até a escala de picolitros. "
Este esquema descreve a imagem subcelular de pontos quânticos em uma célula viva usando um endoscópio de nanofio. Crédito:(Cortesia de Berkeley Lab)
Tendo demonstrado a biocompatibilidade de seu endoscópio de nanofios, Em seguida, Yang e seus coautores testaram suas capacidades de entrega de cargas úteis a locais específicos dentro de uma célula. Embora sistemas de entrega de célula única à base de nanotubo de nitreto de carbono e nitreto de boro tenham sido relatados, esses sistemas sofrem com tempos de entrega que variam de 20 a 30 minutos, além da falta de controle temporal sobre o processo de entrega. Para superar essas limitações, Yang e seus co-autores anexaram pontos quânticos à ponta do nanofio de óxido de estanho de seu endoscópio usando ligantes fotoativados que podem ser clivados por radiação ultravioleta de baixa potência. Dentro de um minuto, seu endoscópio de nanofio funcionalizado foi capaz de liberar sua carga de pontos quânticos nos locais intracelulares visados.
"A varredura por microscopia confocal da célula confirmou que os pontos quânticos foram entregues com sucesso através da membrana marcada com fluorescência e no citoplasma, "Yang diz." A fotoativação para liberar os pontos não teve efeito significativo na viabilidade celular. "
A luz laser azul altamente direcional foi usada para excitar um dos dois aglomerados de pontos quânticos localizados a apenas dois micrômetros de distância. Com a estreita área de iluminação e a pequena separação entre a fonte de luz e os pontos, baixa fluorescência de fundo e alto contraste de imagem foram garantidos.
"No futuro, além de imagens ópticas e entrega de carga, também poderíamos usar este endoscópio de nanofio para estimular elétrica ou opticamente uma célula viva, "Yang diz.
Os nanofios usados nesses experimentos foram originalmente desenvolvidos para estudar novas propriedades eletrônicas e ópticas dependentes do tamanho para aplicações de energia.
