Роботизированное внутриклеточное электрохимическое зондирование для адгезивных клеток
Исследовательская группа из Южного университета науки и технологий разработала автоматизированную систему внутриклеточного зондирования. Этот подход высокой эффективности позволяет раскрывать внутренние характеристики и гетерогенность клеток для лучшего изучения прогрессирования заболеваний или ранней диагностики. Исследование опубликовано 2 сентября в журнале Cyborg and Bionic Systems.
Измерение внутриклеточных биохимических процессов важно для количественного понимания функции биологических систем. Внутриклеточное зондирование на основе нанопипеток — это in-situ, безындикаторный и недеструктивный метод. Однако малый размер клеток и кончика нанопипетки затрудняет эффективное проведение измерений вручную, что создает препятствие для получения статистически значимых данных. Поэтому исследователи создали высокоэффективную и стабильную систему, интегрировав технологии автоматизации.
Ключевые компоненты системы:
- Сенсор: Нанопипетка с диаметром кончика ~100 нм. Платиновое кольцо на её кончике служит рабочим электродом для электрохимического детектирования активных форм кислорода (ROS).
- Манипуляция: Сенсор закреплен на высокоточном микроманипуляторе с разрешением движения 5 нм.
- Визуализация: Инвертированный флуоресцентный микроскоп для визуальной обратной связи.
Алгоритмы и методы:
- Безындикаторный алгоритм детекции клеток: Автоматически перемещает клетки в расфокусированную плоскость, чтобы максимизировать разницу в градациях серого между адгезивными клетками и фоном. Это упрощает обнаружение клеток, повышает точность распознавания и позволяет точно определять места проникновения, избегая влияния флуоресцентного окрашивания.
- Позиционирование кончика нанопипетки без перерегулирования: Для автофокусировки без повреждения кончика о дно чашки используется мера фокуса на основе нормированных коэффициентов корреляции при сопоставлении с шаблоном на разных позициях по оси Z.
- Определение близости по ионному току: Относительная высота между кончиком нанопипетки и поверхностью клетки (варьирующей по толщине) определяется точно по уменьшению ионного тока, когда кончик блокируется приближающейся клеткой.
Оценка системы:
Функциональность проникновения в клетку и электрохимического детектирования ROS была проверена на клетках рака молочной железы человека и эмбриональных клетках zebrafish. Изменения сигналов ROS показали, что система способна на высокоселективный отклик на ROS и их количественное измерение внутри клеток.
Значение работы:
Этот системный подход закладывает основу для высокопроизводительного детектирования, диагностики и классификации различных биохимических реакций в одиночных клетках. Система также найдет важное применение в трассировке клеточных линий в биологии развития и высокоточном манипулировании органеллами в живых клетках для изучения причин заболеваний и разработки новых методов терапии.