単一粒子分光法を使用して、HeLa細胞における金ナノ粒子の細胞内屈折指数と分子相互作用の調査

背景：生細胞の細胞内屈折率（RI）を定量化し、単一粒子分光法を使用して2つの相互作用する分子の分子相互作用を決定する新しい方法を導入しました。蛍光ベースのイメージング技術よりもこの提案された技術の利点は、対照的な剤を必要とせず、瞬きして漂白しないことです。代わりに、私たちの技術は、生細胞の非破壊的で非侵襲的な高解像度のイメージングを提供します。 方法：私たちの手法を検証するために、最初に金ナノ粒子（AUNP）がポリビニルアルコール（PVA）マトリックスに埋め込まれた誘電体媒体に対するアプローチをテストし、その後細胞環境に拡張しました。誘電媒体では、単一の粒子と二量体を特定し、共焦点レーザー散乱顕微鏡を使用してAUNPの粒子間距離を決定しました。また、MIE理論と有限差分時間ドメイン（FDTD）シミュレートされた結果で確認された暗いフィールド散乱顕微鏡画像から単一粒子RIを決定しました。次に、単一の粒子分光法と顕微鏡法を拡張して、ハイパースペクトルイメージングとダークフィールド散乱顕微鏡を使用して、生細胞内の細胞内RIと生体分子相互作用を決定しました。 結果：論文の斬新さは、以前のデモンストレーションはAUNPアンサンブルに基づいていたのに対し、単一粒子分析に焦点を当てた細胞内RIと分子相互作用を調べる直接的な正確な方法の実証にあります。光学的に獲得した単一粒子およ​​びダイマー画像は、誘電体と細胞環境の両方の分析モデルとFDTDシミュレーションを備えた相関SEM画像によっても検証されました。HeLa細胞内のAUNPの粒子間距離と細胞内屈折率を報告しました。これは、MIE理論と広範なFDTDシミュレーションでも確認されました。 結論：さらに、我々の詳細なプラズモニックNPベースの代替イメージング手法は、細胞のダイナミクスを監視し、生細胞内のターゲットNPを追跡し、プラズモニックNPを細胞内バイオセンサーとして使用できるようにする新しい洞察を提供すると考えています。

BACKGROUND: We have introduced a novel method to quantify the intracellular refractive index (RI) of living cells and determine the molecular interaction of two interacting molecules using single particle spectroscopy. The advantages of this proposed technique over fluorescence-based imaging techniques is that it does not require any contrasting agent and it does not blink and bleach. Instead, our technique provides a non-destructive, non-invasive, high-resolution imaging of live cells. METHODS: To verify our technique, we initially tested our approach for a dielectric medium where gold nanoparticles (AuNPs) were embedded in a polyvinyl alcohol (PVA) matrix, which was then extended to the cellular environment. In the dielectric medium, we identified the single particle and dimer and determined the interparticle distance of AuNPs using confocal laser scattering microscopy. We also determined the single particle RI from dark-field scattering microscopy images, which was confirmed with Mie theory and finite-difference time-domain (FDTD) simulated results. The single particle spectroscopy and microscopy technique was then extended to determine the intracellular RI and biomolecular interaction inside living cells using hyperspectral imaging and dark-field scattering microscopy. RESULTS: The novelty of the paper lies in the demonstration of a direct and accurate method to probe the intracellular RI and molecular interaction focused on single particle analysis whereas previous demonstrations were based on AuNP ensembles. Optically acquired single particle and dimer images was verified by correlated SEM images also optical spectrum with analytical models and FDTD simulations for both the dielectric and cellular environment. We reported the interparticle distance of AuNPs inside HeLa cells and intracellular refractive index, which was also confirmed with Mie Theory and extensive FDTD simulations. CONCLUSION: Moreover, we believe that our in-depth plasmonic NP-based alternate imaging technique will provide a new insight in monitoring cellular dynamics and tracking the targeted NPs within live cells, enabling us to use plasmonic NPs as an intracellular biosensor.