Nature子刊：实时蛋白质分泌检测技术

细胞分泌物如蛋白质、抗体和神经递质在免疫反应、代谢和细胞之间的交流中起着至关重要的作用。了解细胞分泌物是开发疾病治疗的关键，但目前的方法只能报告分泌物的数量，而不能详细说明它们是在何时何地产生的。

现在，工程学院和日内瓦大学的生物纳米光子系统实验室(BIOS)的研究人员开发了一种新的光学成像方法，可以在空间和时间上提供细胞分泌物的四维视图。通过将单个细胞放入纳米结构镀金芯片的微观孔中，然后在芯片表面诱导一种称为等离子共振的现象，他们能够在分泌分泌物时绘制出它们，同时观察细胞的形状和运动。

科学家们认为，他们最近发表在《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)上的方法，在药物开发和基础研究方面具有“巨大”潜力，因为它提供了关于细胞如何功能和通信的前所未有的详细视图。

“我们工作的一个关键方面是，它允许我们以高通量的方式逐个筛选细胞。对许多细胞平均反应的集体测量并不能反映它们的异质性……在生物学中，从免疫反应到癌细胞，一切都是异质性的。这就是为什么癌症如此难以治疗，”BIOS负责人Hatice Altug说。

数以万计的传感元件

科学家们的方法的核心是1厘米平米的纳米等离子体芯片由数百万个小孔和数百个用于单个细胞的腔室组成。该芯片由纳米结构的黄金基材制成，上面覆盖着一层薄薄的聚合物网。每个腔室都充满细胞培养基，以保持细胞在成像过程中存活和健康。

“细胞分泌物就像细胞的语言:它们在时间和空间上动态扩散，与其他细胞连接。我们的技术在这些‘词语’传播的位置和距离方面捕捉到了关键的异质性，”BIOS博士生和第一作者Saeid Ansaryan说。

纳米等离子体部分是由于光束的作用与金电子振荡。这种纳米结构经过精心设计，只有特定的波长才能穿透它。当蛋白质分泌等物质在芯片表面发生变化，改变了通过的光线时，光谱就会发生变化。CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器和LED将这种变化转化为CMOS像素的强度变化。

“我们仪器的美妙之处在于，分布在整个表面的纳米孔将每个点转化为传感元件。这使我们能够观察到释放蛋白质的空间模式，而不受细胞位置的影响，”Ansaryan说。

这种方法使科学家们得以一瞥细胞的两个基本过程——细胞分裂和细胞死亡，并研究了分泌抗体的人体供体B细胞。

“我们看到在细胞死亡的两种形式，凋亡和坏死过程中释放的细胞内容物。在后者中，内容以不对称的爆发形式发布，从而产生图像签名或指纹。这在单细胞水平上从未被证明过，”Altug说。

细胞适应度筛选

由于该方法将细胞浸泡在营养细胞介质中，并且不需要其他成像技术使用的有毒荧光标签，因此可以很容易地恢复所研究的细胞。这使得该方法在开发药物、疫苗和其他治疗方法方面具有巨大的潜力;例如，帮助研究人员了解细胞在个体水平上对不同疗法的反应。

Ansaryan说:“由于细胞产生的分泌物的数量和模式是决定其整体有效性的代表，我们也可以想象免疫治疗的应用，即筛选患者的免疫细胞，以确定哪些是最有效的，然后创建一个这些细胞的菌群。”

原文：High-throughput spatiotemporal monitoring of single-cell secretions via plasmonic microwell arrays