Оптическая трансфекция
 | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( июнь 2009 г. ) |
Оптическая трансфекция — это биомедицинский метод, который предполагает введение нуклеиновых кислот (т.е. генетического материала, такого как ДНК ) в клетки с помощью света. Все клетки окружены плазматической мембраной , которая предотвращает попадание в клетку или выход из нее многих веществ. Лазеры можно использовать для прожигания крошечного отверстия в этой мембране, позволяющего веществам проникать внутрь. Это чрезвычайно полезно для биологов, изучающих болезни, поскольку обычным экспериментальным требованием является помещение объектов (например, ДНК) в клетки.
Обычно лазер фокусируется в пятно, ограниченное дифракцией (диаметром ~ 1 мкм ), с использованием объектива микроскопа с высокой числовой апертурой . Затем плазматическая мембрана клетки подвергается воздействию этого сильно сфокусированного света в течение небольшого промежутка времени (обычно от десятков миллисекунд до секунд), в результате чего на мембране образуется временная пора. Генерация фотопор [ проверьте орфографию ] позволяет экзогенной плазмидной ДНК , РНК , органическим флуорофорам или более крупным объектам, таким как полупроводниковые квантовые наноточки, проникать в клетку. В этом методе обрабатывается одна клетка за раз, что делает его особенно полезным для анализа отдельных клеток.
Этот метод был впервые продемонстрирован в 1984 году Цукакоши и др., которые использовали утроенную частоту Nd:YAG для создания стабильной и временной трансфекции нормальных клеток почек крыс. [ 1 ] С тех пор оптическая трансфекция множества типов клеток млекопитающих была продемонстрирована с использованием различных лазерных источников, включая непрерывную волну с длиной волны 405 нм (непрерывный), [ 2 ] 488 нм непрерывного света, [ 3 ] или импульсные источники, такие как фемтосекундный импульсный Ti:Sapphire с длиной волны 800 нм. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] или наносекундный импульсный Nd:YAG с длиной волны 1064 нм. [ 14 ] [ 15 ]
Терминология
[ редактировать ]Значение термина трансфекция изменилось. [ 16 ] Первоначальное значение трансфекции было «заражение путем трансформации», то есть введение ДНК (или РНК) из вируса, инфицирующего прокариот, или бактериофага в клетки, что привело к инфекции. Поскольку термин «трансформация» имел другой смысл в биологии клеток животных (генетическое изменение, позволяющее длительное размножение в культуре или приобретение свойств, типичных для раковых клеток), термин «трансфекция» приобрел для клеток животных свое нынешнее значение изменения в клетке. свойства, вызванные введением ДНК (или других видов нуклеиновых кислот, таких как РНК или SiRNA ).
Из-за такого строгого определения трансфекции оптическая трансфекция также относится только к введению видов нуклеиновой кислоты. Введение в клетку других непроницаемых соединений, таких как органические флуорофоры или полупроводниковые квантовые наноточки, строго говоря, не является «трансфекцией» и поэтому называется «оптической инъекцией» или одним из многих других терминов, которые сейчас изложены.
Отсутствие единого названия для этой технологии сильно затрудняет обзор литературы по этой теме. [ 17 ] Оптическая инъекция описывалась с использованием более дюжины различных названий или фраз (см. маркированные списки ниже). Некоторые тенденции в литературе очевидны. Первый термин метода неизменно является производным от слов «лазер», «оптический» или «фото», а второй термин обычно относится к инъекции, трансфекции, порации, перфорации или пункции. Как и при многих клеточных нарушениях, при воздействии лазера на одну клетку или группу клеток 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» для случая, когда терапевтическая доза доставляется в одну клетку. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] и термин «оптопорация», обозначающий ситуацию, когда ударная волна, генерируемая лазером, воздействует на кластер из многих (от 10 до 100) клеток. [ 18 ] [ 19 ] [ 14 ] [ 20 ] Первое определение оптоинъекции не вызывает сомнений. Однако определение оптопорации не было принято, и в аналогичном количестве ссылок этот термин использовался для обозначения дозирования отдельных клеток. [ 3 ] [ 5 ] [ 15 ] [ 21 ] поскольку те, кто использует этот термин для обозначения одновременного дозирования кластеров многих клеток [ 18 ] [ 19 ] [ 14 ] [ 20 ]
На данный момент это мнение авторов обзорной статьи по этому вопросу. [ 17 ] чтобы термин «оптоинъекция» всегда включался в качестве ключевого слова в будущие публикации, независимо от их собственных предпочтений в именах.
Условия, согласованные консенсусом
- Оптоинъекция (или любые производные от лазерной инъекции, оптической инъекции, фотоинъекции): перенос любого вещества, непроницаемого для мембран, в клетку с помощью света. Общий термин, который также включает оптическую трансфекцию.
- Оптическая трансфекция (или любые производные от лазерной трансфекции, оптотрансфекции, фототрансфекции): конкретный тип оптической трансфекции - перенос нуклеиновых кислот в клетку с использованием света с целью вызвать трансляцию белков из этих кислот. Чтобы соответствовать нынешнему определению трансфекции в биологическом сообществе, ненуклеиновые кислоты (такие как флуорофоры) по определению не могут подвергаться оптической трансфекции (только оптической инъекции).
- Фотопорация (или любые производные от [лазер-] или [оптический-] или [опто-] или [фото-] И [порация] или [-пермеабилизация] или [-пунктура] или [-перфорация]): образование временное отверстие или отверстия на плазматической мембране (или клеточной стенке) клетки, обычно с целью оптической инъекции. См. возможное исключение: Оптопорация.
- -хирургия (например, клеточная нанохирургия, лазерная нанохирургия, лазерная хирургия): общий термин, который включает в себя все приведенные выше определения, но также включает концепции абляции или оптического манипулирования клеточным материалом для других целей, помимо создания пор. Примеры включают селективную абляцию клеток для очистки клеточных популяций, рассечение хромосом, разрушение цитоскелета, абляцию органелл, аксотомию, [ 22 ] или оптический пинцет или выделение внутриклеточного материала.
Условия на обсуждении
- Оптопорация : предполагается, что это дозирование кластера клеток с помощью механизма, опосредованного ударной волной, что обычно приводит к образованию терапевтической зоны в форме пончика. [ 18 ] [ 19 ] [ 14 ] [ 20 ] Напротив, его также использовали как синоним термина фотопорация. [ 3 ] [ 5 ] [ 15 ] [ 21 ]
- Лазерфекция : Предполагается, что это означает дозирование группы клеток с терапевтической зоной круглой формы. Срок, зарезервированный для системы лазерного анализа и обработки (LEAP) компании Cyntellect.
- Светоиндуцированный конвективный трансмембранный транспорт : новый термин для оптоинъекции. [ 23 ]
Некоторые из вышеперечисленных материалов были воспроизведены с разрешения. [ 17 ]
Методы
[ редактировать ]Типичный протокол оптической трансфекции выглядит следующим образом: [ 11 ] 1) Создайте систему оптических пинцетов с объективом с высокой числовой апертурой. 2) Культура клеток до слияния 50-60%. 3) подвергать клетки воздействию не менее 10 мкг/мл плазмидной ДНК. 4) Облучайте плазматическую мембрану каждой клетки сфокусированным лазером длительностью 10-40 мс и мощностью <100 мВт в фокусе. 5) Наблюдайте за временной трансфекцией через 24–96 часов. 6) Добавьте селективную среду, если желательно создание стабильных колоний.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Цукакоши, М.; Курата, С.; Номия, Ю.; Икава, Ю.; Касуя, Т. (1984). «Новый метод трансфекции ДНК с помощью лазерной микролучевой клеточной хирургии». Прикладная физика B: Фотофизика и лазерная химия . 35 (3). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 135–140. Бибкод : 1984ApPhB..35..135T . дои : 10.1007/bf00697702 . ISSN 0721-7269 . S2CID 123250337 .
- ^ Патерсон, Л.; Агат, Б.; Комри, М.; Фергюсон, Р.; Лейк, ТК; и др. (2005). «Фотопорация и трансфекция клеток с использованием фиолетового диодного лазера» . Оптика Экспресс . 13 (2). Оптическое общество: 595–600. Бибкод : 2005OExpr..13..595P . дои : 10.1364/opex.13.000595 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19488389 .
- ^ Jump up to: а б с Палумбо, Джузеппе; Карузо, Матильда; Крещенци, Эльвира; Течче, Марио Ф.; Роберти, Джузеппе; Коласанти, Альберто (1996). «Направленный перенос генов в эукариотические клетки путем лазерной оптопорации с красителем». Журнал фотохимии и фотобиологии B: Биология . 36 (1). Эльзевир Б.В.: 41–46. дои : 10.1016/s1011-1344(96)07335-6 . ISSN 1011-1344 . ПМИД 8988610 .
- ^ Цампула, X.; Тагучи, К.; Чижмар, Т.; Гарсес-Чавес, В.; Мужчина.; и др. (10 октября 2008 г.). «Трансфекция клеток на основе волокон» . Оптика Экспресс . 16 (21). Оптическое общество: 17007–13. Бибкод : 2008OExpr..1617007T . дои : 10.1364/oe.16.017007 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 18852810 .
- ^ Jump up to: а б с Учугонова, Айсада; Кениг, Карстен; Бюкл, Райнер; Исеманн, Андреас; Темпеа, Габриэль (11 июня 2008 г.). «Направленная трансфекция стволовых клеток с помощью лазерных импульсов длительностью менее 20 фемтосекунд» . Оптика Экспресс . 16 (13). Оптическое общество: 9357–64. Бибкод : 2008OExpr..16.9357U . дои : 10.1364/oe.16.009357 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 18575499 .
- ^ Браун, CTA; Стивенсон, диджей; Цампула, X.; Макдугалл, К.; Лагацкий А.А.; и др. (2008). «Улучшение работы фемтосекундных лазеров и их применение в трансфекции клеток» . Журнал биофотоники . 1 (3). Уайли: 183–199. дои : 10.1002/jbio.200810011 . ISSN 1864-063X . ПМИД 19412968 . S2CID 10801756 .
- ^ Баумгарт, Дж.; Бинтиг, В.; Нгезахайо, А.; Вилленброк, С.; Муруа Эскобар, Х.; Эртмер, В.; Любачевский, Х.; Хейстеркамп, А. (2008). «Количественная оптоперфорация живых клеток GFSHR-17 и MTH53a на основе фемтосекундного лазера» . Оптика Экспресс . 16 (5). Оптическое общество: 3021–31. Бибкод : 2008OExpr..16.3021B . дои : 10.1364/oe.16.003021 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 18542388 .
- ^ Лей, Мин; Сюй, Ханьпэн; Ян, Хао; Яо, Баоли (2008). «Микроинъекция с помощью фемтосекундного лазера в живые нейроны». Журнал методов нейробиологии . 174 (2). Эльзевир Б.В.: 215–218. doi : 10.1016/j.jneumeth.2008.07.006 . ISSN 0165-0270 . ПМИД 18687359 . S2CID 10242427 .
- ^ Цампула, X.; Гарсес-Чавес, В.; Комри, М.; Стивенсон, диджей; Агат, Б.; Браун, CTA; Ганн-Мур, Ф.; Дхолакия, К. (30 июля 2007 г.). «Фемтосекундная трансфекция клеток с использованием недифрагирующего светового луча». Письма по прикладной физике . 91 (5). Издательство АИП: 053902–053903. Бибкод : 2007ApPhL..91e3902T . дои : 10.1063/1.2766835 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Пэн, Ченг; Палаццо, Роберт Э.; Уилке, Ингрид (3 апреля 2007 г.). «Зависимость интенсивности лазера фемтосекундной оптоинъекции ближнего инфракрасного диапазона». Физический обзор E . 75 (4). Американское физическое общество (APS): 041903. Бибкод : 2007PhRvE..75d1903P . дои : 10.1103/physreve.75.041903 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 17500917 .
- ^ Jump up to: а б Стивенсон, Д.; Агат, Б.; Цампула, X.; Фишер, П.; Браун, CTA; Сиббетт, В.; Ричес, А.; Ганн-Мур, Ф.; Дхолакия, К. (2006). «Фемтосекундная оптическая трансфекция клеток: жизнеспособность и эффективность» . Оптика Экспресс . 14 (16). Оптическое общество: 7125–33. Бибкод : 2006OExpr..14.7125S . дои : 10.1364/oe.14.007125 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 19529083 .
- ^ Барретт, Линди Э; Сул, Джай-Юн; Такано, Хадзиме; Ван Бокстале, Элизабет Дж; Хейдон, Филип Дж; Эбервин, Джеймс Х (23 мая 2006 г.). «Регион-направленная фототрансфекция раскрывает функциональное значение дендритно синтезируемого фактора транскрипции». Природные методы . 3 (6). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 455–460. дои : 10.1038/nmeth885 . ISSN 1548-7091 . ПМИД 16721379 . S2CID 10536176 .
- ^ Тирлапур, Удай К.; Кениг, Карстен (2002). «Направленная трансфекция фемтосекундным лазером». Природа . 418 (6895). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 290–291. дои : 10.1038/418290a . ISSN 0028-0836 . ПМИД 12124612 . S2CID 4370674 .
- ^ Jump up to: а б с д Сугайер, Джозеф С.; Красиева Татьяна; Джейкобсон, Стивен С.; Рэмси, Дж. Майкл; Тромберг, Брюс Дж.; Олбриттон, Нэнси Л. (2000). «Характеристика клеточной оптопорации на расстоянии» . Аналитическая химия . 72 (6). Американское химическое общество (ACS): 1342–1347. дои : 10.1021/ac990982u . ISSN 0003-2700 . ПМИД 10740880 . S2CID 6373605 .
- ^ Jump up to: а б с Моханти, Самарендра К.; Шарма, Мриналини; Гупта, Прадип К. (2003). «Лазерная микроинъекция в целевые клетки животных». Биотехнологические письма . 25 (11). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 895–899. дои : 10.1023/а:1024038609045 . ISSN 0141-5492 . ПМИД 12889802 . S2CID 33912519 .
- ^ «Трансфекция» в Медицинском словаре Дорланда.
- ^ Jump up to: а б с Стивенсон, Дэвид Дж.; Ганн-Мур, Фрэнк Дж.; Кэмпбелл, Пол; Дхолакия, Кишан (11 января 2010 г.). «Одноклеточная оптическая трансфекция» . Журнал интерфейса Королевского общества . 7 (47). Королевское общество: 863–871. дои : 10.1098/rsif.2009.0463 . ISSN 1742-5689 . ПМК 2871806 . ПМИД 20064901 .
- ^ Jump up to: а б с д Красиева Татьяна Б.; Чепмен, Кертис Ф.; ЛаМорт, Вики Дж.; Венугопалан, Васан; Бернс, Майкл В.; Тромберг, Брюс Дж. (29 апреля 1998 г.). Фаркас, Дэниел Л.; Лейф, Роберт С.; Тромберг, Брюс Дж. (ред.). «Клеточная проницаемость и молекулярный транспорт с помощью лазерного микрооблучения» . Труды SPIE . 3260 . ШПАЙ: 38–44. дои : 10.1117/12.307113 . S2CID 59321515 .
- ^ Jump up to: а б с д Роудс, Кейт; Кларк, Имран; Зацкофф, Мишель; Эустакио, Триша; Хойт, Кваме Л.; Коллер, Манфред Р. (2007). «Клеточная лазерфекция» . Методы клеточной биологии . Том. 82. Эльзевир. стр. 309–333 . дои : 10.1016/s0091-679x(06)82010-8 . ISBN 978-0-12-370648-5 . ISSN 0091-679X . ПМИД 17586262 .
- ^ Jump up to: а б с д Венугопалан, Васан; Герра, Арнольд; Нахен, Кестер; Фогель, Альфред (4 февраля 2002 г.). «Роль лазерно-индуцированного образования плазмы в импульсной клеточной микрохирургии и микроманипуляции» . Письма о физических отзывах . 88 (7). Американское физическое общество (APS): 078103. Бибкод : 2002PhRvL..88g8103V . дои : 10.1103/physrevlett.88.078103 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 11863944 . S2CID 6235612 .
- ^ Jump up to: а б Шнекенбургер, Герберт; Хендердер, Анита; Зайлер, Рейнхард; Штраус, Вольфганг С.Л.; Шмитт, Майкл (2002). «Лазерная оптопорация одиночных клеток» . Журнал биомедицинской оптики . 7 (3). SPIE-Intl Soc Optical Eng: 410–6. Бибкод : 2002JBO.....7..410S . дои : 10.1117/1.1485758 . ISSN 1083-3668 . ПМИД 12175291 . S2CID 24795230 .
- ^ Кохли, Викрам; Акер, Джейсон П.; Элеззаби, Абдулхакем Ю. (2005). «Обратимая пермеабилизация с использованием высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов: применение к биоконсервации». Биотехнология и биоинженерия . 92 (7). Уайли: 889–899. дои : 10.1002/бит.20689 . ISSN 0006-3592 . ПМИД 16189821 .
- ^ Зоммер, Андрей П.; Чжу, Дэн; Шарнвебер, Тим (2010). «Трансмембранная конвекция, модулированная лазером: применение в химиотерапии рака». Журнал контролируемого выпуска . 148 (2). Эльзевир Б.В.: 131–134. дои : 10.1016/j.jconrel.2010.10.010 . ISSN 0168-3659 . ПМИД 20934473 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Исследования в области оптической трансфекции в Университете Сент-Эндрюс
- Трансфекция Национальной медицинской библиотеки США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- Обзор методов трансфекции в Nature Methods 2, 875–883 (2005).