JoVE Logo
Faculty Resource Center
Authors
Librarians
High Schools
About

Sign In

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Acknowledgements

Materials

References

Bioengineering

הדמיה ביומולקולרית של קליטת תאים של ננו-חלקיקים באמצעות מיקרוסקופיה אופטית רב-מודאלית לא ליניארית

Published: May 16th, 2022

DOI:

10.3791/63637

1Biomedical Physics, School of Physics and Astronomy, University of Exeter
* These authors contributed equally

מאמר זה מציג את השילוב של מודול מיקוד ספקטרלי ולייזר פולסים בעל פלט כפול, המאפשר הדמיה היפרספקטרלית מהירה של ננו-חלקיקי זהב ותאים סרטניים. עבודה זו נועדה להדגים את הפרטים של טכניקות אופטיות רב-מודאליות לא ליניאריות במיקרוסקופ סריקת לייזר סטנדרטי.

חקירת ננו-חלקיקי זהב (AuNPs) במערכות חיות חיונית כדי לחשוף את האינטראקציה בין AuNPs לרקמות ביולוגיות. יתר על כן, על ידי שילוב אותות אופטיים לא ליניאריים כגון פיזור ראמאן מגורה (SRS), פלואורסצנציה מעוררת שני פוטונים (TPEF) ובליעה חולפת (TA) לפלטפורמת הדמיה, ניתן להשתמש בו כדי לחשוף ניגודיות ביומולקולרית של מבנים תאיים ו- AuNPs באופן רב-מודאלי. מאמר זה מציג מיקרוסקופיה אופטית רב-מודאלית לא ליניארית ומיישם אותה לביצוע הדמיה כימית ספציפית של AuNPs בתאים סרטניים. פלטפורמת הדמיה זו מספקת גישה חדשנית לפיתוח AuNPs פונקציונליים יעילים יותר ולקביעה אם הם נמצאים בתוך כלי הדם המקיפים את מרחבי הגידול, הציוד ההיקפי או התאי.

ננו-חלקיקי זהב (AuNPs) הראו פוטנציאל גדול כבדיקות הדמיה תואמות ביולוגית, לדוגמה, כמצעי ספקטרוסקופיית ראמאן (SERS) יעילים משופרים על פני השטח ביישומים ביו-רפואיים שונים. יישומים עיקריים כוללים תחומים כגון ביוסנסינג, הדמיה ביולוגית, ספקטרוסקופיות משופרות פני השטח וטיפול פוטותרמי לטיפול בסרטן1. יתר על כן, בדיקת AuNPs במערכות חיות היא חיונית להערכה ולהבנה של יחסי הגומלין בין AuNPs למערכות ביולוגיות. ישנן טכניקות אנליטיות שונות, כולל ספקטרוסקופיית אינפרה-אדום התמרת פורייה (FTIR)2, ספקטרומטריית מסה מצומדת אינדוקטיבית בלייזר (LA-ICP-MS)3, והדמיית תהודה מגנטית (MRI)....

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. הפעלת מערכת הלייזר

  1. הפעל את מערכת האינטרלוק ובחר לייזר זרוע לפני הפעלת המערכת.
  2. הפעל את המחשב עם התוכנה כדי לשלוט בלייזר femtosecond בעל הפלט הכפול.
  3. טען את התוכנה עבור לייזר femtosecond בעל פלט כפול; תוכנה זו מאפשרת להפעיל ולכבות את הלייזר ושולטת ישירות באורך הגל של קרן המשאב.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מודול התזמון ויחידת הרקומבינציה של מיקוד ספקטרלי (SF-TRU) מוצג בין לייזר הפמטו-שניות בעל הפלט הכפול לבין מיקרוסקופ סריקת הלייזר המותאם. מערכת הלייזר המהירה במיוחד המשמשת במחקר זה כוללת שתי יציאות יציאה המספקות קרן אחת באורך גל קבוע של 1,045 ננומטר והקרן השנייה ניתנת לכוונון בטווח של 680-1,300 ננומ?.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מחקר זה הציג את השילוב של מודול SF-TRU ומערכת לייזר מהירה במיוחד עם פלט כפול המדגים את יישומיו למיקרוספקטרוסקופיה רב-מודאלית. עם יכולתה לחקור ספיגת ננו-חלקיקי זהב (AuNPs) על ידי תאים סרטניים, פלטפורמת ההדמיה הרב-מודאלית יכולה לדמיין את תגובות התאים לטיפולים בסרטן היפרתרמי כאשר קרני לייזר נספגו?.......

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

מחקר זה נתמך על ידי מענקי EPSRC: Raman Nanotheranostics (EP/R020965/1) ומתקן CONTRAST (EP/S009957/1).

....

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

NameCompanyCatalog NumberComments
APE SRS Detection UnitAPE (Angewandte Physik & Elektronik GmbH)APE Lock-in ModuleCombined system containing a large area Si photo-diode for detecting the pump beam along with a Lock-In amplifier for detecting the beam modulations
Confocal Scanning UnitOlympusFV 3000Confocal scanning unit used for imaging
CML Latex Beads, 4% w/v, 1.0 µmInvitrogenC37483Polystyrene microspheres
CoverslipsThorlabsCG15CH222 mm x 22 mm coverslips for seeding cells
FBSGibco10500-064Foetal Bovine Serum (Heat Inactivated)
FlouviewOlympusFV31S-SWLaser scanning microscope control software
Function GeneratorBX precision40543Used to generate square wave function which is fed to EOM in SF-TRU to produce modulations in the stokes beam
FV3000OlympusIX83P2ZFOther microscope frames can be used.
Gold NanoparticlesNanopartzA11-60Spherical gold nanoparticles, 60 nm diameter
Input Output InterfaceOlympusFV30 ANALOGThis unit allows voltage readouts from PMT and LockIn to be fed into the confocal scanning software and allows timing pulses to be sent between the olympus microscope and the SF-TRU unit.
InSight X3NewportSpectra-PhysicsDual-output femtosecond pulsed laser. Tunable (680–1300 nm) and fixed (1045 nm) laser outputs with the repetition rate of 80 MHz.
Microscope FrameOlympusIX83Inverted microscope
Mouse 4T1 cellsATCCCRL-2539Mouse breast cancer cells
NA 1.2 Water Immersion ObjectiveOlympusUPLSAPO60XW/IRThe multiphoton 60x Objective has a 0.28 mm working distance. Other similar objectives can be used.
NA 1.4 CondenserNikonCSC1003Other condensers with NA higher than the excitation objective can also be used.
PMTHamamatsuR3896PMT used for detecting anti-stokes photos for CARS micrsocopy
PMT ConnectorHamamatsuC13654-01-Y002Connector for PMT
Power SupplyRSRSPD-3303 CProgrammable power supply which is used for providing the correct voltage to the PMT
RPMI-1640GibcoA10491-01Roswell Park Memorial Institute (RPMI) 1640 Medium has since been found suitable for a variety of mammalian cells.
SF-TRUNewport Spectra PhysicsSF-TRUSystem designed for controlling the time delay and dispersion of the 2 laser outputs and for performing the beam modulations required for SRS

  1. Tabish, T. A., et al. Smart gold nanostructures for light mediated cancer theranostics: Combining optical diagnostics with photothermal therapy. Advanced Science. 7 (15), 1903441 (2020).
  2. Tian, F., et al. Gold nanostars for efficient in vitro and in vivo real-time SERS detection and drug delivery via plasmonic-tunable Raman/FTIR imaging. Biomaterials. 106, 87-97 (2016).
  3. Jenkins, S. V., et al. Enhanced photothermal treatment efficacy and normal tissue protection via vascular targeted gold nanocages. Nanotheranostics. 3 (2), 145-155 (2019).
  4. Huang, J., et al. Rational design and synthesis of gammaFe2 O3 @Au magnetic gold nanoflowers for efficient cancer theranostics. Advanced Materials. 27 (34), 5049-5056 (2015).
  5. Dilipkumar, A., et al. Label-free multiphoton endomicroscopy for minimally invasive in vivo imaging. Advanced science. 6 (8), 1801735 (2019).
  6. Wang, C. -. C., et al. Differentiation of normal and cancerous lung tissues by multiphoton imaging. Journal of Biomedical Optics. 14 (4), 044034 (2009).
  7. Chrabaszcz, K., et al. Comparison of standard and HD FT-IR with multimodal CARS/TPEF/SHG/FLIMS imaging in the detection of the early stage of pulmonary metastasis of murine breast cancer. The Analyst. 145 (14), 4982-4990 (2020).
  8. Tsai, T. H., et al. Visualizing radiofrequency-skin interaction using multiphoton microscopy in vivo. Journal of Dermatological Science. 65 (2), 95-101 (2012).
  9. Wang, C. -. C., et al. Early development of cutaneous cancer revealed by intravital nonlinear optical microscopy. Applied Physics Letters. 97 (11), 113702 (2010).
  10. Li, F. -. C., et al. Dorsal skin fold chamber for high resolution multiphoton imaging. Optical and Quantum Electronics. 37 (13), 1439-1445 (2005).
  11. Tong, L., et al. Label-free imaging of semiconducting and metallic carbon nanotubes in cells and mice using transient absorption microscopy. Nature Nanotechnology. 7 (1), 56-61 (2011).
  12. Chong, S., Min, W., Xie, X. S. Ground-state depletion microscopy: Detection sensitivity of single-molecule optical absorption at room temperature. The Journal of Physical Chemistry Letters. 1 (23), 3316-3322 (2010).
  13. Chen, T., et al. Transient absorption microscopy of gold nanorods as spectrally orthogonal labels in live cells. Nanoscale. 6 (18), 10536-10539 (2014).
  14. Liu, J., Irudayaraj, J. M. Non-fluorescent quantification of single mRNA with transient absorption microscopy. Nanoscale. 8 (46), 19242-19248 (2016).
  15. Freudiger, C. W., et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 322 (5909), 1857-1861 (2008).
  16. Wang, C. -. C., et al. In situ chemically specific mapping of agrochemical seed coatings using stimulated Raman scattering microscopy. Journal of Biophotonics. 11 (11), 201800108 (2018).
  17. Wang, C. -. C., Yoong, F. -. Y., Penfield, S., Moger, J. Visualization of active ingredients uptake in seed coats with stimulated Raman scattering microscopy. Proceedings SPIE 10069, Multiphoton Microscopy the Biomedical Sciences XVII. , 1006928 (2017).
  18. Hu, F., Shi, L., Min, W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nature Methods. 16 (9), 830-842 (2019).
  19. Zeytunyan, A., Baldacchini, T., Zadoyan, R. Module for multiphoton high-resolution hyperspectral imaging and spectroscopy. Proceedings SPIE 10498, Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XVIII. , 104980 (2018).
  20. Wang, C. -. C., Wu, R. -. J., Lin, S. -. J., Chen, Y. -. F., Dong, C. -. Y. Label-free discrimination of normal and pulmonary cancer tissues using multiphoton fluorescence ratiometric microscopy. Applied Physics Letters. 97 (4), 043706 (2010).
  21. Wang, C. -. C., Chandrappa, D., Smirnoff, N., Moger, J. Monitoring lipid accumulation in the green microalga botryococcus braunii with frequency-modulated stimulated Raman scattering. Proceedings SPIE 9329, Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XV. , 9329 (2015).
  22. Figueroa, B., et al. Broadband hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy with a parabolic fiber amplifier source. Biomedical Optics Express. 9 (12), 6116-6131 (2018).
  23. Cui, L., et al. In situ plasmon-enhanced CARS and TPEF for Gram staining identification of non-fluorescent bacteria. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 264, 120283 (2022).
  24. Ma, J., Sun, M. Nonlinear optical microscopies (NOMs) and plasmon-enhanced NOMs for biology and 2D materials. Nanophotonics. 9 (6), 1341-1358 (2020).
  25. Sun, L., Chen, Y., Sun, M. Exploring nonemissive excited-state intramolecular proton transfer by plasmon-enhanced hyper-Raman scattering and two-photon excitation fluorescence. The Journal of Physical Chemistry C. 126 (1), 487-492 (2022).

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2024 MyJoVE Corporation. All rights reserved