Superauflösung der vom Tumor abgesonderten Nanopartikel

Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: (a) sEVs, die eine heterogene Verteilung von Biomarkern tragen, werden aus der Tumorzelle freigesetzt. (b) sEVs können auf einer mit Antikörpern beschichteten Platte eingefangen und mit UCNPs markiert werden. (c) UCNPs-EV-Konjugate, die als einzelne helle Flecken mit unterschiedlichen Intensitäten erkannt werden, können in der hochauflösenden Nanoskopie superaufgelöst werden.mehr sehen

Bildnachweis: von Guan Huang, Yongtao Liu, Dejiang Wang, Ying Zhu, Shihui Wen, Juanfang Ruan, Dayong Jin

Es ist allgemein anerkannt, dass die Tumorentstehung und das Fortschreiten des Krebses einen mehrstufigen Prozess darstellen. Die am häufigsten verwendete Methode zur Krebsdiagnose und -prognose als Grundlage für Behandlungsentscheidungen basiert auf einer komplexen Kombination aus Bildgebung und invasiven Gewebebiopsien. Allerdings sind die Methoden nicht immer sensitiv für die Krebsdiagnose im Frühstadium. Kleine extrazelluläre Vesikel (sEVs) sind nanometergroße, doppelschichtige Lipidträger und enthalten eine Vielzahl von Ladungen, darunter Lipide, Proteine, Metaboliten, RNAs und DNAs. Aus ursprünglichen Krebszellen freigesetzte sEVs kommen in fast allen Körperflüssigkeiten vor. Sie können zu potenziellen zirkulierenden Biomarkern in Flüssigbiopsien werden, da sie auf einzigartige Weise die dynamischen biologischen Veränderungen widerspiegeln, die mit den wachsenden Tumoren einhergehen, und die Stadien der Krebsprogression anzeigen.

Hochauflösende Mikroskopietechniken sind entstanden, indem die Auflösung über die Beugungsgrenze hinaus in Richtung Nanometerskalen verschoben wurde.

In einem neuen, in eLight veröffentlichten Artikel hat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Dayong Jin von der University of Technology Sydney eine innovative Technologie entwickelt, die auf Lanthanid-dotierten, auf Elektrofahrzeuge ausgerichteten nanoskopischen Signalverstärkern (LENS) basiert. Ihr Artikel „Upconversion Nanoparticles for Super-resolution Quantification of Single Small Extrazellulär Vesicles“ hat ein enormes Potenzial für die Krebsdiagnose und -prognose.

Die Art der synthetischen Upconversion-Nanopartikel (UCNPs) weist nichtlineare fotoschaltbare Eigenschaften auf. Sie ermöglichen eine neue Art der hochauflösenden Nanoskopie, um eine optische Auflösung von unter 30 nm zu erreichen. Die jüngste Arbeit des Forschers mit nanophotonischen Sonden erreichte außerdem eine Höchstempfindlichkeit beim quantitativen Nachweis von sEVs. Diese Sonden verzeichneten eine um fast drei Größenordnungen bessere Empfindlichkeit als der Standard-ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay).

Die Forscher verbessern die Bildauflösung weiter, um die Oberflächenbiomarker auf einzelnen Elektrofahrzeugen superauflösend darzustellen (Abb. 1). Der Ansatz basiert auf der Verwendung gleichmäßiger, heller und photostabiler nanophotonischer Sonden. Jedes ist hochdotiert mit Zehntausenden Lanthanoidionen. In ihrem Experiment wurden die sEVs zunächst auf einem mit CD9-Antikörper beschichteten Objektträger eingefangen und zwischen einem biotinylierten EpCAM-Antikörper eingebettet. Streptavidin-funktionalisierte Upconversion-Nanosonden markierten anschließend den EpCAM-Antikörper zur Signalverstärkung. Die Nanosonden auf einzelnen sEVs ermöglichen ein hochauflösendes Mikroskop zur Visualisierung unter einem Donut-förmigen Laserstrahl. Eine einzelne Nanosonde in der Mitte des Donutstrahls erzeugt ein Emissionsmuster mit einer Senke an der Stelle, an der sich die Sonde befindet. Dadurch können die beiden benachbarten Nanosonden über die Beugungsgrenze im Nanomaßstab hinaus superaufgelöst werden.

Die Forscher zeigen, dass mithilfe einer Bibliothek von Aufkonvertierungs-Nanosonden, die mit verschiedenen Arten und unterschiedlichen Konzentrationen von Emittern dotiert sind, eine hochauflösende Bildgebung einzelner sEVs erreicht werden kann. Sie bestätigen, dass mit Antikörpern konjugierte Nanosonden spezifisch auf Tumorepitop-Epithel-Zelladhäsionsmoleküle (EpCAM) sowohl auf großen EVs als auch auf einzelnen sEVs abzielen können (Abb. 2). Mithilfe hochauflösender Bildgebung können die Forscher die spezifische Anzahl von Nanosonden auf jedem sEV quantifizieren. Sie haben gezeigt, dass es theoretisch möglich ist, die Größe und sterische Hinderung von Nanosonden an einzelnen sEVs zu analysieren (Abb. 3).

eLight

10.1186/s43593-022-00031-1

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