Новый фотонный чипскоп для бесконтактного мониторинга активности живых клеток

Бесконтактный, неинвазивный и количественный мониторинг клеточной активности важен для понимания биологических процессов и реакции клеток на терапевтические препараты.

Междисциплинарная исследовательская группа под руководством доктора Чжициня Чу из Университета Гонконга (HKU) и доктора Юаня Линя (HKU), в сотрудничестве с доктором Квай Хей Ли из Южного университета науки и технологий, разработала недорогой, миниатюрный и совместимый с инкубатором GaN-чипскоп. Он позволяет в реальном времени наблюдать за клетками в ограниченном и влажном пространстве инкубатора.

Устройство может дать новое понимание фундаментальных исследований в биологии клетки и открытии лекарств. Команда подала заявку на временный патент США.

По сравнению с традиционными методами мечения, бесконтактный анализ позволяет отслеживать изменения биосигналов в реальном времени без искусственного воздействия на образцы, минимизируя влияние на их естественное состояние.

Ведущей бесконтактной технологией на рынке являются микроэлектронные сенсоры на основе импеданса. Однако используемое в них электрическое поле может мешать образцам, чувствительным к электрическим сигналам (например, нервным или сердечным тканям).

В качестве альтернативы привлекают внимание оптические методы на основе затухающего поля, такие как биосенсоры на резонансной волноводной решетке (RWG) и поверхностном плазмонном резонансе (SPR). Несмотря на высокую точность, они предъявляют высокие требования к условиям и сложны в настройке.

Разработанный GaN-чипскоп интегрирует миниатюрный дифференциальный интерференционно-контрастный (DIC) микроскоп. Он позволяет не только фиксировать изменения показателя преломления (RI) на клеточном и субклеточном уровне, но и получать изображения ультраструктурных особенностей клеток прямо в инкубаторе.

Сердце системы — миниатюрный GaN фотонный чип, который объединяет субмикронные светоизлучающие и фотодетектирующие субъединицы (LED-PD) на основе InGaN/GaN. Его уникальная многослойная конструкция с распределенным брэгговским отражателем значительно повышает эффективность сбора света.

Чип способен к фотоэлектрическому детектированию, позволяя отслеживать изменения показателя преломления, вызванные коллективным поведением клеток на поверхности. Одновременно, благодаря системе DIC-визуализации, можно в реальном времени наблюдать за изменениями морфологии клеток.

Совместное использование визуализации и сенсоринга RI позволяет количественно распознавать клеточное поведение in situ: осаждение клеток, начальную адгезию, распластывание, сжатие и т.д. Этот готовый к использованию анализатор уже успешно применяется для скрининга фармацевтической активности и отслеживания трансформации фенотипов иммунных клеток.

Исследование расширяет применение GaN фотонных чипов в области биосенсорики. Комбинированная стратегия объединяет «фотонный чип» и «микроскопию», что представляет собой значительный шаг в развитии биосенсоров.

Работа опубликована в журнале Advanced Science.