O monitoramento sem marcadores, não invasivo e quantitativo das atividades celulares é crucial para entender vários processos biológicos e a resposta das células a drogas terapêuticas.
No entanto, as abordagens existentes são muitas vezes prejudicadas por suas múltiplas etapas de preparação demoradas, aparelhos complicados e incompatibilidade que podem interferir nas células e causar influência indesejada sobre elas.

Uma equipe de pesquisa interdisciplinar liderada pelo Dr. Zhiqin Chu do Departamento de Engenharia Elétrica e Eletrônica da Universidade de Hong Kong (HKU) e Dr. Yuan Lin do Departamento de Engenharia Mecânica, HKU, em colaboração com o Dr. Kwai Hei Li da Southern University of Science and Technology, desenvolveu um chipscope GaN de baixo custo, altamente miniaturizado e compatível com incubadoras, que permite o monitoramento em tempo real de células no espaço limitado e úmido de uma incubadora.

Este dispositivo prático forneceria novos insights sobre a pesquisa fundamental da biologia celular e descoberta de drogas e ajudaria no desenvolvimento de uma nova geração de biossensores. A equipe solicitou uma patente provisória nos EUA.

Em comparação com moléculas de fluorescência convencionais e técnicas de marcação baseadas em radionuclídeos, a análise sem marcação permite que as alterações de biosinais sejam monitoradas em tempo real sem manipulação artificial de amostras individuais. Ele permite que as amostras direcionadas retenham seus estados intrínsecos, minimizando os efeitos colaterais na conformação nativa e na atividade biológica dos ligantes, células ou tecidos direcionados.

Até o momento, a tecnologia líder de detecção sem rótulo no mercado são os sensores microeletrônicos baseados em detecção de impedância elétrica. Este sensor elétrico contém uma série de biossensores de ouro integrados à placa do poço, permitindo que a detecção de impedância em tempo real rastreie e quantifique a dinâmica relacionada à adesão de células vivas. No entanto, o campo elétrico ali empregado poderia interferir potencialmente em amostras sensíveis a sinais elétricos, como nervos e miocárdio.

Como alternativas, abordagens de sensoriamento baseado em campo de evanescência óptica, incluindo biossensor de grade de guia de onda ressonante (RWG) e ressonância plasmônica de superfície (SPR), atraíram grande interesse nos últimos anos devido à sua natureza não invasiva e livre de rótulos. Embora essas tecnologias tenham precisão óptica superior e tenham sido amplamente utilizadas no estudo de interações de biomoléculas e detecção de atividades de células vivas, elas têm uma alta demanda para a condição de teste e configuração geral, apresentando grandes restrições às suas amplas aplicações em diversos ambientes.

O chipscope monolítico baseado em GaN estabelecido integra um microscópio de contraste de interferência diferencial (DIC) personalizado que pode monitorar quantitativamente a progressão de diferentes processos intracelulares de maneira livre de rótulos. Ele permite não apenas uma leitura fotoelétrica das alterações do índice de refração celular/subcelular (IR), mas também a imagem em tempo real de recursos ultraestruturais celulares/subcelulares na incubadora.

O coração deste sistema é um chip fotônico GaN miniaturizado que integra subunidades de emissão de luz e fotodetecção (LED-PD) baseadas em InGaN/GaN em microescala. Seu design empilhado exclusivo do refletor Bragg distribuído pode aumentar drasticamente a eficiência da coleta de luz.

O chip fotônico GaN miniaturizado é capaz de detecção fotoelétrica, permitindo o monitoramento do índice de refração em tempo real induzido pelos comportamentos coletivos da célula na superfície do chip. Enquanto isso, beneficiando-se do sistema de imagem mini-DIC integrado, os usuários podem capturar claramente as mudanças na morfologia celular em tempo real. Ao acoplar a unidade de imagem e a unidade de detecção RI, a plataforma pode reconhecer quantitativamente os comportamentos das células in situ, incluindo precipitação de células, fixação inicial, espalhamento, encolhimento, etc. Este analisador de células prático e pronto para uso foi aplicado com sucesso na indústria farmacêutica triagem de atividade e fenótipos de células imunes transformam a trilha.

Esta pesquisa expande as aplicações de chips fotônicos de GaN na área de biossensores. Em particular, a estratégia combinada de sensor de chip e imagem óptica transcende os limites dos processos convencionais de monitoramento de "chip fotônico" e "microscopia". O "chipscope" resultante representa um avanço significativo e emocionante no desenvolvimento de biossensores.

O trabalho de pesquisa foi publicado em Advanced Science . + Explorar mais

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