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ASU-Forscher entwickeln neue Mikroskopie-Technik, einzelne Zellen sich

Published on January 25, 2011 at 5:58 AM

Trotz der Komplexität und Bandbreite der zeitgenössischen Mikroskopie-Techniken, viele wichtige biologische Phänomene entziehen sich die Präzision der selbst die empfindlichsten Instrumente.

Der Bedarf an raffinierten bildgebende Verfahren für die Grundlagenforschung und die biomedizinische Anwendungen im Zusammenhang mit der Erforschung von Krankheiten bleibt akut.

Nongjian (NJ) Tao und seine Kollegen von der Biodesign Institute an der Arizona State University haben Pionierarbeit eine neue Technik in der Lage Peering in einzelne Zellen und sogar intrazellulären Prozesse mit bisher unerreichter Klarheit. Die Methode, wie elektrochemische Impedanz-Mikroskopie (EIM) bekannt sind, können verwendet werden, um subtile Eigenschaften von grundlegender Bedeutung für die Grundlagenforschung und angewandter Forschung zu erkunden, darunter die Zelladhäsion, Zelltod (Apoptose) und Elektroporation-ein Prozess, der zur DNA einführen kann oder sein Medikamente in Zellen.

Diese neue investigative Werkzeug wird erwartet, dass signifikante Forschungs-Einzug machen, die Verbesserung der Wirkstoffentwicklung für Erkrankungen wie Krebs, Förderung der Untersuchung der Wirtszelle-Pathogen-Interaktionen und Verfeinerung der Analyse der Differenzierung von Stammzellen.

Im Mittelpunkt der Forschung wird in der heutigen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Chemistry.

Als Tao erklärt, baut die Methode auf die Vorteile eines leistungsfähigen vorhandene Technologie als elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bekannt. Hier wird eine Wechselspannung an eine Elektrode angelegt und der Strom wird definiert als eine Änderung der Impedanz gemessen. (Impedanz wird als Gegensatz zu Wechselstrom definiert und erweitert die Idee des elektrischen Widerstandes an AC-Schaltungen.)

Zusätzlich zu erlauben Beobachtung von DNA, Proteinen, Viren und Bakterien, ermöglicht EIS andere subtile Phänomene an der Elektrode die Oberfläche zu sein abgebildet, darunter molekulare Bindung Veranstaltungen. Änderungen der EIS-Methode haben, um die Untersuchung von anderen zellulären Prozessen wie Zell-Ausbreitung, Adhäsion, Invasion, Toxikologie und Mobilität angewendet worden.

Eine weitere Attraktion der Technik ist, dass im Gegensatz zu Fluoreszenz-Imaging, EIS ein sogenanntes Label-free-Technologie ist, so dass es nicht-invasiv zu der untersuchten Probe. Keine Fluoreszenzmarkierung Partikel oder Farbstoffe-die oft mit normalen zellulären Funktion sind, verlangt stören.

EIS jedoch hat eine Achillesferse, es kann keine gute räumliche Auflösung. Als Tao erklärt: "Unsere Technologie bietet eine hohe räumliche Auflösung, die es ermöglicht, Bild und Studium einzelner Zellen und subzelluläre Prozesse und erkennen und anayze Biomoleküle in einer hohen Dichte Microarray-Format."

Beziehen gute räumliche Auflösung durch konventionelle EIS würde entweder erfordern die Verwendung von mehreren Elektroden Überwachung der Oberfläche untersucht werden, oder einer einzelnen Elektrode, die mechanisch-Scans über die Oberfläche. Beide Strategien haben schwerwiegende Einschränkungen, die sie nicht praktikabel zu machen. Tao und seine Kollegen haben einen anderen Ansatz, kombiniert mit einem anderen EIS robuste Imaging-Technologie zur Oberflächen-Plasmonen-Resonanz.

Oberflächenplasmonen-Resonanz oder SPR-Bildgebung ist eine optische Erkennung. Unter den richtigen Bedingungen, polarisierte Licht fällt auf eine dünne Schicht aus Gold, führt dazu, freie Elektronen, die einfallendes Licht absorbieren und wandelt sie in ein Oberflächen-Plasmon-Welle, die über die Goldschicht der Oberfläche ausbreitet, ähnlich wie eine Welle auf dem Wasser. Störungen dieses empfindlichen Welle durch Zielmoleküle zu Veränderungen in den Reflexionseigenschaften des einfallenden Lichts. Diese Änderungen können aufgezeichnet und übersetzt in ein Bild.

Mit SPR, können gleichzeitige Ereignisse auf der gesamten Oberfläche eines Biochips in Echtzeit untersucht werden, ohne die Notwendigkeit mehrerer Elektroden. Die entwickelte Methode von Tao bekannt als elektrochemische Impedanz-Mikroskopie (EIM) - unterscheidet sich von konventionellen EIS, dass es nicht misst Strom, sondern nutzt Plasmonen-Resonanz zu Impedanzänderungen optisch zu erfassen, dramatisch verbessert räumliche Auflösung der beobachteten Merkmale. Zusätzlich zu den EIM Bild, erzeugt die neue Technik simultane optische und SPR Bildsprache, die nützliche ergänzende Informationen zu liefern.

EIM ermöglicht Sub-Mikrometer-Auflösung von biologischen Phänomenen. Zwei Zellprozesse wurden insbesondere in der aktuellen Studie beobachtet: Apoptose und Elektroporation. Beide Phänomene erfordern nicht nur eine gute räumliche Auflösung, sondern die Fähigkeit, sich schnell ändernden Ereignisse in Echtzeit-etwas EIM zeichnet sich überwachen, mit Hilfe eines speziellen Videokamera, um eine schnelle zelluläre Ereignisse aufzuzeichnen.

Apoptose oder Zelltod ist von entscheidender Bedeutung Forschung. Es ist ein zentrales Element in der Homöostase und Gewebe / Organ Entwicklung. Ein besseres Verständnis der zellulären Mechanismen der Apoptose ist auch entscheidend für die Krebsforschung und für die Gestaltung von Krebstherapien, die oft versuchen, die Apoptose in Tumorzellen induzieren.

Tao und seine Gruppe induzierten Zelltod in Zervixkarzinom-Zellen durch den Einsatz von zwei Molekülen: MG132 und TRAIL-ein Apoptose-induzierenden Liganden. EIM Bildgebung ergab detaillierte Informationen über die verschiedenen Phasen der Apoptose, die die zelluläre Schrumpfung und Verdichtung durch die Fragmentierung von Kernmaterial und eventuellen Zerfall der Zellen, mit SPR und EIM Bildsprache bietet eine ergänzende Aufzeichnung von Ereignissen gefolgt sind. Als Tao Notizen, bevor dieser Studie wurde eine solche detaillierte Informationen nur erhältlich durch Fluoreszenzfärbung oder Elektronenmikroskopie.

Die Elektroporation wurde auch durch EIM beobachtet. Hier wird ein Spannungsimpuls an eine Zelle angewendet, was zu einem plötzlichen Anstieg der Leitfähigkeit und Permeabilität der Zelle Plasmamembran. Dieses wertvolle Technik kann verwendet werden, um eine molekulare Sonde legen, um eine Zelle im Inneren zu überwachen oder nach einem Zell-Droge oder ein Segment der kodierenden DNA einzuführen. Einmal mehr kombiniert ergänzende Informationen durch optische, SPR und EIM zur Verfügung gestellt, um ein viel umfassenderes Bild von diesem Prozess, mit dem EIM Bilder enthüllen die dramatischsten Veränderungen im Laufe der Zeit zu geben. "Wir sind von ihr Potenzial für die Kartierung aus lokalen Aktivitäten vieler zellulärer Prozesse, wie zB Ionenkanal-Aktivitäten und Drogen-Zell-Interaktionen begeistert."

Fortsetzung der Arbeiten weiter zu verfeinern diesem Label-freie, nicht-invasive Mikroskopie-Technik, bietet neue Einblicke in bisher schwer zellulären Ereignissen.

Quelle: http://www.asu.edu/

Last Update: 10. October 2011 15:51

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