Visualisation de la dynamique diffusionnelle des nanorods d’or sur la membrane cellulaire à l’aide d’une microscopie darkfield nanoparticule unique

La dynamique des nanoparticules (PN) sur la membrane est étroitement associée au processus d’absorption cellulaire, qui est essentiel à la compréhension des fonctions cellulaires, des infections virales ou bactériennes et au développement de systèmes artificiels de livraison nanomédicale^1,2. La technique de suivi des particules simples (SPT) est un outil robuste pour caractériser les comportements hétérogènes des^{PN 3,4}. En général, la membrane cellulaire est fluide, ce qui signifie que les composants tels que les protéines et les lipides peuvent se déplacer latéralement dans le plan de la membrane^{plasmatique 5,6,7}. La complexité spatiotemporal de l’organisation et de la structure de membrane peut mener à l’hétérogénéité spatiotemporal de l’interaction entre NPs et membrane. Par conséquent, la visualisation directe du mouvement des PN sur la membrane nécessite à la fois une résolution spatiale et temporelle élevée.

La microscopie de suivi des particules individuelles qui surveille la localisation des particules individuelles dans les cellules vivantes avec une résolution spatiale de dizaines de nanomètres et une résolution de temps de millisecondes a été bien développée pour étudier les SNP ou la dynamique des molécules membranaires^8,9. Les techniques d’imagerie microscopique à base de fluorescence sont devenues des outils précieux pour l’observation des PN/molécules dans le milieu cellulaire^{vivant 9,10,11,12}. Par exemple, la microscopie totale de fluorescence de réflexion interne, qui images couches minces (~100 nm) de l’échantillon à l’interface substrat/solution avec une résolution spatiotemporal élevée a été employée couramment dans des études de la dynamique de molécules de membrane^13,14. Cependant, les inconvénients inhérents des fluorophores simples, tels que la faible intensité et le photobleaching irréversible rapide réduisent la précision et la durée du suivi^13. Par conséquent, les PN plasmoniques non fluorescents, qui remplacent les sondes fluorescentes, ont attiré de plus en plus l’attention dans les études d’imagerie à long terme en raison de leurs caractéristiques optiques uniques¹⁵. Sur la base des signaux de diffusion des sondes plasmoniques de PN, plusieurs types de technologies optiques d’imagerie microscopique ont été utilisés pour étudier le mécanisme des processus biologiques, tels que la microscopie des champs sombres (DFM)^16,la microscopie interférométrique de diffusion (iSCAT)¹⁷ et la microscopie différentielle de contraste d’interférence (DICM)¹⁸. En outre, la dynamique de mouvement et de rotation des AuNRs peut être obtenue à l’aide de DFM et DICM^{18,19,20,21,22}. En règle générale, dans une expérience SPT, le mouvement de l’objet est enregistré par le microscope optique, puis analysé par les méthodes d’analyse SPT³. Les trajectoires et les angles d’orientation résolus dans le temps générés par les PN individuels sont normalement stochastiques et hétérogènes, il est donc nécessaire de présenter des informations dynamiques abondantes avec diverses méthodes d’analyse.

Ici, nous fournissons un protocole intégré qui surveille la dynamique des aunrs sur la membrane cellulaire à l’aide de DFM, extrait l’emplacement et l’orientation des AuNRs avec ImageJ et MATLAB et caractérise la diffusion des AuNRs avec des méthodes d’analyse SPT. En démonstration, nous montrons ici comment utiliser le protocole SPT pour visualiser la dynamique des AuNRs non modifiés (CTAB-AuNRs, synthétisés par la molécule de bromure d’ammonium de cetyltriméthylammonium comme agent protecteur) sur la membrane cellulaire U87 MG. Il a été démontré que les CTAB-AuNRs peuvent adsorb protéines dans l’environnement biologique, se déplacer sur la membrane cellulaire, puis entrer dans^{les cellules 2,20,22}. La cellule U87 MG est la tumeur la plus commune et la plus maligne du système nerveux central, et ses récepteurs membranaires sont anormalement exprimés. Les récepteurs membranaires peuvent interagir avec les protéines des AuNR, qui influencent la dynamique des AuNRs. Notre protocole s’applique généralement à d’autres expériences SPT dans le domaine de la biologie.