Новая микроскопическая техника для анализа динамики клеточных фокальных адгезий

Фокальные адгезии — это крупные специализированные белки, расположенные в области контакта клеточной мембраны с внеклеточным матриксом (ВКМ). Изучение фокальных адгезий — ключевой элемент для понимания того, как клетка пролиферирует, дифференцируется и мигрирует, что может помочь в лечении таких заболеваний, как рак.

Исследователи из Института передовой науки и технологий Бекмана и Лаборатории микро- и нанотехнологий Университета Иллинойса разработали новую форму микроскопии, позволяющую наблюдать формирование и эволюцию фокальных адгезий клеточной мембраны. Их работа «Количественный анализ динамики фокальных адгезий с использованием микроскопии на основе фотонного резонатора (PROM)» описывает, как новая методика визуализации живых клеток может наблюдать эти процессы. Статья недавно опубликована в журнале Light: Science & Applications.

«Это новый биофизический метод, используемый для измерения сдвига пиковой интенсивности (PIS) спектров, отраженных от биоматериалов на поверхности фотонного кристалла», — сказал Юэ Чжо, первый автор статьи. «PIS указывает на изменение размера кластеров в области фокальной адгезии живой клетки».

Предыдущие методы предполагали мечение клеток флуоресцентными красителями или метками, что может изменять физико-химический состав клетки и быть громоздким для исследователей. «Обычно фокальные адгезии изучают с помощью флуоресцентных меток или белков. Но флуоресцентная визуализация — инвазивный метод, который может изменять конформации или блокировать сайты связывания белков в области фокальной адгезии», — отметил Чжо.

Флуоресцентная микроскопия сильно ограничена эффектом «фотовыцветания», когда флуорофоры сохраняют яркость лишь несколько секунд. Однако многие важные клеточные процессы длятся минуты, часы или дни. Поскольку PROM не использует флуорофоры и только низкоинтенсивное освещение, нет ограничений по времени измерения живых клеток.

«В будущем мы планируем использовать PROM для изучения дифференцировки стволовых клеток, которая может происходить в течение нескольких недель», — сказал Чжо.

PROM использует поверхность фотонно-кристаллического биосенсора для создания затухающего поля (поверхностно-связанного электромагнитного поля), которое избирательно освещает только прикрепленную к ВКМ клеточную мембрану и связанные с ней белковые агрегаты непосредственно внутри мембраны. Фотонный кристалл строго ограничивает латеральное распространение света, удерживая его плотно связанным с поверхностью биосенсора, что позволяет получать высокоразрешающие изображения «отпечатка» прикрепления клеточной мембраны.

«PROM предоставляет информацию в реальном времени о динамических процессах, происходящих именно на клеточных мембранах, которая недоступна никаким другим методом», — сказал Брайан Каннингем, руководитель проекта. «Поскольку так много биологических процессов опосредовано прикреплением клеток к поверхностям, PROM дает уникальную возможность наблюдать миграцию, хемотаксис, хемотоксичность, дифференцировку, образование биопленок и деление. Мы видим в PROM новый мощный инструмент для клеточных биологов, который также может быть применен для персонализированного подбора противораковых препаратов, тканевой инженерии и моделирования опухолей с интегрированными сенсорами».