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快速光穿孔成像
高速成像

快速光穿孔成像

Fast Photoporation Imaging

Prime BSI Express 高速采集黑色素瘤细胞光穿孔转染过程。

  • Prime BSI Express
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背景与研究场景

Deep Punj 博士是根特大学药学院科学人员，支持围绕细胞药物递送与治疗科学的一系列研究项目。作为光学工程师，他为高级细胞研究设计并维护光学装置。其实验室实验方法通常依赖针对特定实验定制的高级光学荧光显微镜。

Punj 博士的一个项目研究光穿孔——该技术通过将激光束聚焦到经光热纳米颗粒处理的细胞膜表面，在细胞膜中产生纳米气泡。这些激光诱导气泡成为细胞膜上的临时孔，为通过膜将治疗分子引入细胞提供多种可能。Punj 博士进一步解释：“纳米颗粒类型很多，如金纳米颗粒、脂质纳米颗粒、聚多巴胺纳米颗粒……我们使用脉冲激光辐照在含黑色素的黑色素瘤细胞中围绕含黑色素的黑色素体产生 VNB [蒸汽纳米气泡]，造成机械性细胞损伤并诱导 ICD [免疫原性细胞死亡]。”该过程及纳米气泡的检测总结于图 1。

虽然 VNB 可用于损伤特定细胞部位，光穿孔是一种温和方法，大幅降低细胞毒性，同时保持高精度。Punj 博士提到：“与其他方法相比，光穿孔提供高通量，我们的技术将光穿孔作为涉及转染或药物递送应用中电穿孔的潜在替代方案。”

Fast Photoporation Imaging 配图 1
图 1 · 使用内源性含黑色素黑色素体作为光穿孔敏化剂，对 B16-F10 黑色素瘤细胞进行脉冲激光辐照。（a）脉冲激光辐照程序示意图，导致 VNB（蒸汽纳米气泡）形成、B16-F10 细胞死亡及危险信号释放。（b）明场显微镜（左）与暗场显微镜（右）下 B16-F10 细胞可视化对比（比例尺 = 100 µm）。（c）B16-F10 细胞内源性含黑色素黑色素体的 UV-VIS 光谱（相对于最大消光），以及内源性黑色素 UV-VIS 光谱选定部分（相对于最大消光）及用于脉冲激光辐照的指示波长。（d）暗场显微镜图像中检测到的围绕 B16-F10 细胞内源性含黑色素黑色素体的 VNB（黄色标示）。图像在激光脉冲前及脉冲后（VNB 形成期间）于不同激光脉冲通量（0.33 J/cm²、0.56 J/cm² 和 0.75 J/cm²）采集（比例尺 = 100 µm），使用 Prime BSI Express sCMOS 相机。改编自 Ramon 等。

技术挑战

纳米气泡形成是一个具有高时间分辨率的过程，对这些快速现象的成像需要能够跟上纳秒激光脉冲并提供高质量图像而不牺牲速度或易用性的相机。短曝光时间限制了单帧可捕捉的光子预算，要求所选相机具有高灵敏度。

成像方案与成果

为满足该实验的技术要求，Punj 博士在其光学系统中实施了 Prime BSI Express sCMOS 相机，使用 MicroManager 控制采集，并享受相较之前相机解决方案更高的图像采集速度，“此前我们大约 48 帧每秒，现在全视场约 100 帧……甚至可以裁剪获得更高速度。这很重要，因为纳米气泡形成具有时间敏感性。”

Prime BSI Express 支持光穿孔效应的定性与定量分析，且不牺牲图像质量。凭借高灵敏度（1 e- 读出噪声和 95% QE），Prime BSI Express 是该项目的理想解决方案，为细胞水平研究提供更好的成像选择。该光学装置通过不同应用为靶向递送从小分子药物到治疗性核酸和蛋白质的新型方法开发做出贡献。

参考文献

1. Ramon, J., et al. (2024), Laser-induced vapor nanobubbles for B16-F10 melanoma cell killing and intracellular delivery of chemotherapeutics, J Control Release 365: 1019–1036. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.12.006