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Angew. Chem. :毫米级视野高时空分辨SPR显微镜及其膜蛋白和细胞结合力学原位分析应用2022-10-19
表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)方法是一种被广泛应用于生化分析的无标记光学传感方法,其经典应用场景为固定受体分子与传感芯片表面,然后实时分析受体分子与溶液内配体分子的结合动力学。近年出现的SPR显微镜通过提供成像能力进一步推动了该领域的发展。然而,SPR显微镜需要使用昂贵的油浸高数值孔径物镜,不但成本高昂,而且受制于油浸物镜较高的放大倍数,其成像视野宽度也被限制在百微米级别,更重要的是,SPR显微镜观测的等离激元弹性散射具有非局域传播性质,由此导致单颗粒SPR显微图像为长度约5~10微米的抛物线花纹,位置间距小于此长度的不同样品颗粒的等离激元散射信号还会相互干涉,限制了SPR显微镜观测细胞吸附结构这类复杂样品的能力。

等离激元散射显微镜(Plasmonic Scattering Microscopy,PSM)是2020年出现的一种新型SPR显微镜,其测量的是等离激元非弹性散射信号,由此获得了高空间分辨率。在前期工作的基础上,亚利桑那州立大学Shaopeng Wang团队进一步证明了PSM可以在棱镜构型SPR传感器上通过简单加装干物镜得到实现。基于普通商用元件的棱镜型SPR激发结构可以提供毫米级的照明视野,而低倍的干物镜可以毫米级的观测视野,这比经典型SPR显微镜大了约70倍,此外,由于没有非局域传播的等离激元弹性散射光的影响,低倍干物镜即可提供比经典型SPR显微镜高约7倍的空间分辨率,这些特点帮助棱镜型PSM实现了对百余个细胞进行并行同时高分辨成像(图1)。

 

 

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图1 经典型SPR显微镜与棱镜型PSM的系统结构以及成像效果对比。

通过对细胞-基底吸附结构的高分辨解析,棱镜型PSM不但可以实现膜蛋白结合动力学曲线的实时测量,而且可以定量表现吸附结构不同空间位置的受体吸附量(图2)。

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图2 棱镜型PSM解析不同形状细胞对小麦胚芽凝集素(WGA)吸附的时空响应。

通过逐帧分析棱镜型PSM的图像序列,并进行统计分析,我们还可以获得细胞-基底结合结构的等效劲度系数分布,从而可以量化评价其结合力学性质,实验表明活细胞固化前后,其结合力学性质将会发生较大改变。

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图3 活细胞固化前后等效劲度系数分布对比。

该工作在广泛应用的棱镜型SPR传感器上实现了高时空分辨显微成像,且提供了较大的成像视野,为膜蛋白结合动力学以及细胞结合力学性质的定量分析提供了一种简便且强有力的工具。

文信息

In Situ Analysis of Membrane-Protein Binding Kinetics and Cell–Surface Adhesion Using Plasmonic Scattering Microscopy

Pengfei Zhang, Xinyu Zhou, Jiapei Jiang, Jayeeta Kolay, Rui Wang, Guangzhong Ma, Zijian Wan, Shaopeng Wang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202209469

 

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