Оптическая трансфекция - Optical transfection

Оптическая трансфекция это процесс введения нуклеиновых кислот в клетки с помощью света. Как правило, лазер фокусируется в пятно с ограничением дифракции (диаметром ~ 1 мкм) с использованием высокой числовая апертура объектив микроскопа. В плазматическая мембрана Затем клетка подвергается воздействию этого сильно сфокусированного света в течение небольшого промежутка времени (обычно от десятков миллисекунд до секунд), создавая временные поры на мембране. Создание фотопоры позволяет экзогенному плазмидная ДНК, РНК, органический флуорофоры, или более крупные объекты, такие как полупроводник квантовые наноточки войти в камеру. В этом методе обрабатывается одна клетка за раз, что делает его особенно полезным для анализа отдельных клеток.

Проще говоря, клетки обычно не пропускают определенные типы веществ в свое внутреннее пространство. С помощью лазера можно прожечь крошечное отверстие на поверхности клетки, позволяя этим веществам проникнуть. Это чрезвычайно полезно для биологов, изучающих болезни, поскольку обычным экспериментальным требованием является помещать что-то (например, ДНК) в клетки.

Этот метод был впервые продемонстрирован в 1984 году Tsukakoshi et al., Которые использовали Nd: YAG с утроенной частотой для создания стабильных и переходных процессов. трансфекция нормальных клеток почек крысы.[1] С этого времени была продемонстрирована оптическая трансфекция множества типов клеток млекопитающих с использованием различных лазерных источников, включая непрерывную волну 405 нм (cw),[2] 488 нм непрерывный,[3] или пульсирующий такие источники, как фемтосекундный импульс 800 нм Ti: Sapphire[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13] или импульсный Nd: YAG с наносекодами 1064 нм.[14][15]

Терминология

Значение термина трансфекция развилась.[16] Первоначальное значение трансфекции было «заражение путем трансформации», т.е. введение ДНК (или РНК) из вируса, инфицирующего прокариот, или бактериофаг в клетки, что приводит к инфекции. Поскольку термин трансформация имеет другое значение в биологии клеток животных (генетическое изменение, позволяющее долгосрочное размножение в культуре или приобретение свойств, типичных для раковых клеток), термин трансфекция приобрел для животных клеток свое нынешнее значение изменения в клетке. свойства, вызванные внесением ДНК (или другие виды нуклеиновых кислот, такие как РНК или SiRNA ).

Из-за этого строгого определения трансфекция, оптическая трансфекция также относится только к введению видов нуклеиновых кислот. Введение в клетку других непроницаемых соединений, например органических флуорофоры или полупроводник квантовые наноточки не является, строго говоря, «трансфекцией», и поэтому его называют «оптической инъекцией» или одним из многих других терминов, описанных сейчас.

Отсутствие единого названия для этой технологии очень затрудняет обзор литературы по этой теме.[17] Оптическая инъекция была описана с использованием более десятка различных названий или фраз (см. Маркированные списки ниже). Некоторые тенденции в литературе очевидны. Первый термин метода неизменно является производным от слова «лазер», «оптический» или «фото», а второй термин обычно относится к инъекции, трансфекции, пореции, перфорации или пункции. Подобно многим клеточным возмущениям, когда отдельная клетка или группа клеток обрабатываются лазером, могут произойти три вещи: клетка умирает (передозировка), клеточная мембрана становится проницаемой, вещества проникают и клетка восстанавливается (терапевтическая доза) или ничего не происходит (недозировка). В литературе высказывались предложения зарезервировать термин оптоинъекция когда терапевтическая доза доставляется на одну клетку,[18][19][20] и срок оптопорация когда ударная волна, генерируемая лазером, обрабатывает кластер из многих (от 10 до 100) клеток.[18][19][14][20] Первое определение optoinjection является непротиворечивым. Определение оптопорация, однако, не был принят с аналогичным количеством ссылок, использующих термин для обозначения дозирования отдельных клеток[3][5][15][21] как те, кто использует термин для обозначения одновременного дозирования скоплений многих клеток [18][19][14][20]

В настоящее время это мнение авторов обзорной статьи по данной теме.[17] чтобы термин оптоинъекция всегда использовался в качестве ключевого слова в будущих публикациях, независимо от их собственных предпочтений в области именования.

Условия согласованы консенсусом

  • Оптоинъекция (или любые производные от лазерной инъекции, оптической инъекции, фотоинъекции): перенос любого непроницаемого для мембраны вещества в клетку с использованием света. Общий термин, который также включает оптическую трансфекцию.
  • Оптическая трансфекция (или любые производные от лазерной трансфекции, оптотрансфекции, фототрансфекции): особый тип оптической трансфекции - перенос нуклеиновых кислот в клетку с использованием света с целью вызвать трансляцию белка из этих кислот. Чтобы соответствовать нынешнему определению трансфекции в биологическом сообществе, ненуклеиновые кислоты (такие как флуорофоры) по определению не могут быть оптически трансфицированы (только оптически вводить).
  • Фотопорация (или любые производные от [лазер-], или [оптического-], или [опто-], или [фото-] И [порция] или [-проницаемость], или [-пунктура], или [-перфорация]): создание переходного отверстие или отверстия на плазматической мембране (или клеточной стенке) клетки обычно с целью оптической инъекции. См. Возможное исключение: Optoporation
  • -хирургия (например, клеточная нанохирургия, лазерная нанохирургия, лазерная хирургия): общий термин, который включает в себя все вышеперечисленные определения, но также включает концепции абляции или оптических манипуляций с клеточным материалом для других целей, помимо образования пор. Примеры включают выборочную абляцию клеток для очистки популяций клеток, рассечение хромосом, разрушение цитоскелета, абляцию органелл, аксотомию,[22] или оптическое выщипывание или изоляция внутриклеточного материала.

Условия в стадии обсуждения

  • Оптопорация: Было предложено обозначать дозирование кластера клеток с механизмом, опосредованным ударной волной, что обычно приводит к получению терапевтической зоны в форме пончика.[18][19][14][20] Напротив, это также было синонимом термина фотопорация.[3][5][15][21]
  • Лазерная инфекция: Было предложено обозначать дозирование кластера клеток с терапевтической зоной круглой формы. Термин зарезервирован для системы лазерного анализа и обработки (LEAP) Cyntellect.
  • Светоиндуцированный конвективный трансмембранный перенос: Новый термин для оптоинъекции.[23]

Некоторые из приведенных выше материалов были воспроизведены с разрешения.[17]

Методы

Типичный протокол оптической трансфекции выглядит следующим образом:[11]1) Создайте оптический пинцет система с высокой целевой числовой апертурой 2) Культивирование клеток до 50-60% конфлюэнтности 3) Воздействие на клетки не менее 10 мкг / мл плазмидной ДНК 4) Дозируйте плазматическую мембрану каждой клетки с помощью 10-40 мс сфокусированного лазера при мощности < 100 мВт в фокусе 5) Наблюдать за переходной трансфекцией через 24-96 часов6) Добавить селективная среда если желательно создание стабильных колоний

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Tsukakoshi, M .; Kurata, S .; Nomiya, Y .; Ikawa, Y .; Касуя, Т. (1984). «Новый метод трансфекции ДНК с помощью лазерной микролучевой хирургии клеток». Прикладная физика B Фотофизика и лазерная химия. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 35 (3): 135–140. Bibcode:1984АпФБ..35..135Т. Дои:10.1007 / bf00697702. ISSN  0721-7269. S2CID  123250337.
  2. ^ Патерсон, Л .; Агат, Б .; Comrie, M .; Ferguson, R .; Lake, T. K .; и другие. (2005). «Фотопорация и трансфекция клеток с помощью фиолетового диодного лазера». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 13 (2): 595–600. Bibcode:2005OExpr..13..595P. Дои:10.1364 / опекс.13.000595. ISSN  1094-4087. PMID  19488389.
  3. ^ а б c Паламбо, Джузеппе; Карузо, Матильда; Крещенци, Эльвира; Текче, Марио Ф .; Роберти, Джузеппе; Коласанти, Альберто (1996). «Целевой перенос генов в эукариотических клетках с помощью лазерной оптопорации с использованием красителя». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология. Elsevier BV. 36 (1): 41–46. Дои:10.1016 / с1011-1344 (96) 07335-6. ISSN  1011-1344. PMID  8988610.
  4. ^ Tsampoula, X .; Taguchi, K .; Čižmár, T .; Гарсес-Чавес, V; Мужчина.; и другие. (2008-10-10). «Трансфекция клеток на основе клетчатки». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 16 (21): 17007–13. Bibcode:2008OExpr..1617007T. Дои:10.1364 / oe.16.017007. ISSN  1094-4087. PMID  18852810.
  5. ^ а б c Учугонова, Айсада; Кениг, Карстен; Бюкль, Райнер; Иземанн, Андреас; Темпеа, Габриэль (11.06.2008). «Направленная трансфекция стволовых клеток с фемтосекундными лазерными импульсами менее 20». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 16 (13): 9357–64. Bibcode:2008OExpr..16.9357U. Дои:10.1364 / oe.16.009357. ISSN  1094-4087. PMID  18575499.
  6. ^ Браун, К. Т. А .; Стивенсон, Д. Дж .; Tsampoula, X .; McDougall, C .; Лагацкий, А. А .; и другие. (2008). «Улучшенная работа фемтосекундных лазеров и приложения для трансфекции клеток». Журнал биофотоники. Вайли. 1 (3): 183–199. Дои:10.1002 / jbio.200810011. ISSN  1864-063X. PMID  19412968.
  7. ^ Baumgart, J .; Bintig, W .; Ngezahayo, A .; Willenbrock, S .; Муруа Эскобар, H .; Ertmer, W .; Lubatschowski, H .; Хейстеркамп, А. (2008). «Количественная оценка оптоперфорации живых клеток GFSHR-17 и MTH53 a на основе фемтосекундного лазера». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 16 (5): 3021–31. Bibcode:2008OExpr..16.3021B. Дои:10.1364 / oe.16.003021. ISSN  1094-4087. PMID  18542388.
  8. ^ Лей, Мин; Сюй, Ханьпэн; Ян, Хао; Яо, Баоли (2008). «Микроинъекция фемтосекундным лазером в живые нейроны». Журнал методов неврологии. Elsevier BV. 174 (2): 215–218. Дои:10.1016 / j.jneumeth.2008.07.006. ISSN  0165-0270. PMID  18687359. S2CID  10242427.
  9. ^ Tsampoula, X .; Гарсес-Чавес, В .; Comrie, M .; Стивенсон, Д. Дж .; Агат, Б .; Браун, К. Т. А .; Gunn-Moore, F .; Дхолакия, К. (30 июля 2007 г.). «Фемтосекундная клеточная трансфекция с использованием недифрагирующего светового луча». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 91 (5): 053902–053903. Bibcode:2007АпФЛ..91э3902Т. Дои:10.1063/1.2766835. ISSN  0003-6951.
  10. ^ Пэн, Ченг; Палаццо, Роберт Э .; Уилке, Ингрид (2007-04-03). "Зависимость интенсивности излучения фемтосекундного оптоинжектора в ближней инфракрасной области". Физический обзор E. Американское физическое общество (APS). 75 (4): 041903. Bibcode:2007PhRvE..75d1903P. Дои:10.1103 / Physreve.75.041903. ISSN  1539-3755. PMID  17500917.
  11. ^ а б Стивенсон, Д .; Агат, Б .; Tsampoula, X .; Fischer, P .; Браун, К. Т. А .; Sibbett, W .; Riches, A .; Gunn-Moore, F .; Дхолакия, К. (2006). «Фемтосекундная оптическая трансфекция клеток: жизнеспособность и эффективность». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 14 (16): 7125–33. Bibcode:2006OExpr..14.7125S. Дои:10.1364 / oe.14.007125. ISSN  1094-4087. PMID  19529083.
  12. ^ Барретт, Линди Э; Сул, Джай-Юн; Такано, Хадзиме; Ван Бокстаэле, Элизабет Дж; Хейдон, Филип Джи; Эбервин, Джеймс Х (23 мая 2006 г.). «Регион-направленная фототрансфекция раскрывает функциональное значение дендритно синтезированного фактора транскрипции». Природные методы. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 3 (6): 455–460. Дои:10.1038 / nmeth885. ISSN  1548-7091. PMID  16721379. S2CID  10536176.
  13. ^ Tirlapur, Uday K .; Кениг, Карстен (2002). «Нацеленная трансфекция фемтосекундным лазером». Природа. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 418 (6895): 290–291. Дои:10.1038 / 418290a. ISSN  0028-0836. PMID  12124612. S2CID  4370674.
  14. ^ а б c d Soughayer, Joseph S .; Красиева, Татьяна; Джейкобсон, Стивен С.; Рэмси, Дж. Майкл; Тромберг, Брюс Дж .; Олбриттон, Нэнси Л. (2000). «Характеристика клеточной оптопорации с расстоянием». Аналитическая химия. Американское химическое общество (ACS). 72 (6): 1342–1347. Дои:10.1021 / ac990982u. ISSN  0003-2700. PMID  10740880.
  15. ^ а б c Mohanty, Samarendra K .; Шарма, Мриналини; Гупта, Прадип К. (2003). «Лазерная микроинъекция в целевые клетки животных». Письма о биотехнологии. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 25 (11): 895–899. Дои:10.1023 / а: 1024038609045. ISSN  0141-5492. PMID  12889802. S2CID  33912519.
  16. ^ "Трансфекция " в Медицинский словарь Дорланда
  17. ^ а б c Стивенсон, Дэвид Дж .; Ганн-Мур, Фрэнк Дж .; Кэмпбелл, Пол; Дхолакия, Кишан (11 января 2010 г.). «Оптическая трансфекция одиночных клеток». Журнал интерфейса Королевского общества. Королевское общество. 7 (47): 863–871. Дои:10.1098 / rsif.2009.0463. ISSN  1742-5689. ЧВК  2871806. PMID  20064901.
  18. ^ а б c d Красиева, Татьяна Б .; Чепмен, Кертис Ф .; LaMorte, Викки Дж .; Венугопалан, Васан; Бернс, Майкл В .; Тромберг, Брюс Дж. (1998-04-29). Farkas, Daniel L .; Лейф, Роберт С .; Тромберг, Брюс Дж. (Ред.). Проницаемость клеток и молекулярный транспорт с помощью лазерного микрооблучения. Труды SPIE. 3260. ШПИОН. п. 38–44. Дои:10.1117/12.307113.
  19. ^ а б c d Родс, Кейт; Кларк, Имран; Заткофф, Мишель; Юстакио, Триша; Hoyte, Kwame L .; Коллер, Манфред Р. (2007). «Клеточная лазерфекция». Методы клеточной биологии. 82. Эльзевир. стр.309–333. Дои:10.1016 / s0091-679x (06) 82010-8. ISBN  978-0-12-370648-5. ISSN  0091-679X. PMID  17586262.
  20. ^ а б c d Венугопалан, Васан; Герра, Арнольд; Нахен, Кестер; Фогель, Альфред (2002-02-04). «Роль лазерно-индуцированного образования плазмы в импульсной клеточной микрохирургии и микроманипуляции». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 88 (7): 078103. Bibcode:2002ПхРвЛ..88г8103В. Дои:10.1103 / Physrevlett.88.078103. ISSN  0031-9007. PMID  11863944.
  21. ^ а б Шнекенбургер, Герберт; Хендингер, Анита; Зайлер, Рейнхард; Strauss, Wolfgang S.L .; Шмитт, Майкл (2002). «Лазерная оптопорация единичных клеток». Журнал биомедицинской оптики. SPIE-Intl Soc Optical Eng. 7 (3): 410–6. Bibcode:2002JBO ..... 7..410S. Дои:10.1117/1.1485758. ISSN  1083-3668. PMID  12175291. S2CID  24795230.
  22. ^ Коли, Викрам; Акер, Джейсон П .; Елеззаби, Абдулхакем Ю. (2005). «Обратимая стабилизация проницаемости с использованием высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов: приложения для биоконсервации». Биотехнологии и биоинженерия. Вайли. 92 (7): 889–899. Дои:10.1002 / бит.20689. ISSN  0006-3592. PMID  16189821.
  23. ^ Соммер, Андрей П .; Чжу, Дан; Шарнвебер, Тим (2010). «Трансмембранная конвекция с лазерной модуляцией: применение в химиотерапии рака». Журнал контролируемого выпуска. Elsevier BV. 148 (2): 131–134. Дои:10.1016 / j.jconrel.2010.10.010. ISSN  0168-3659. PMID  20934473.

внешние ссылки