Ampliare la fondazione e l'applicabilità di fluorescenza da Unbound eccitazione da luminescenza (FUEL) attraverso la rilevazione dei principi rilevanti e dimostrando la sua compatibilità con un gran numero di fluorofori e condizioni di anticorpi mirati.
Fluorescenza da Unbound eccitazione da luminescenza (FUEL) è un processo di eccitazione-emissione radiativa che produce un aumento del segnale e contrast enhancement in vitro e in vivo. Condivide COMBUSTIBILE molti dei principi sottesi al trasferimento bioluminescenza Resonance Energy (BRET), ma differiscono notevolmente nelle distanze di lavoro accettabili tra la sorgente luminescenti e l'entità fluorescente. Mentre BRET è efficacemente limitato ad un massimo di 2 volte il raggio Förster, comunemente inferiore a 14 nm, CARBURANTE può verificarsi a distanze fino a pm o addirittura cm in assenza di un assorbitore ottico. Qui ci espandiamo sul fondamento e l'applicabilità di FUEL rivedendo pertinenti principi alla base del fenomeno e dimostrare la sua compatibilità con una vasta gamma di fluorofori e nanoparticelle fluorescenti. Inoltre, l'utilità di FUEL anticorpo mirato è esplorato. Gli esempi qui riportati forniscono la prova che il carburante può essere utilizzato per applICATIONS dove BRET non è possibile, riempiendo il vuoto spaziale che esiste tra Bret e tradizionale complesso di imaging animali.
La modificazione genetica degli organismi, quali virus 1, 2, 3, batteri o piccoli mammiferi 4 a uno indurre o bioluminescenza costitutivamente espresso, ha avuto molto successo ed ampiamente dimostrata 5-7. Bioluminescenza, una reazione chemiluminescente in vivo coinvolge reagenti presenti naturalmente, ha il vantaggio di produrre luce senza la necessità di una fonte di luce esterna. Come tale, l'imaging bioluminescente non soffre degli inconvenienti comuni di segnale-auto e non specifico trovati da imaging di fluorescenza 8. Di conseguenza, bioluminescenza ha un significativo rapporto segnale-rumore in quanto qualsiasi segnale rilevato proviene esclusivamente dalla sorgente destinata. Mentre molti modelli hanno sfruttato l'operone lux da luminescens Photorhabdus (massimo di emissione centrato tra 480 e 490 nm) in vitro e in vivo applicazioni 9, il suo uso in piccola mammals è problematico a causa della natura stessa delle condizioni di imaging; l'esistenza pervade di assorbitori ottici, come emoglobina e agenti di dispersione, come tessuti e ossa, influisce fortemente blu a lunghezze d'onda giallo 3. L'espressione di una lucciola luciferasi allestita (massimo di emissione a 617 nm), è stato recentemente sviluppato e integrato, fornendo uno strumento che supera notevolmente l'assorbimento ottico 10, ma è ancora soggetto ad effetti di scattering.
In risposta, ci sono stati diversi tentativi di red-shift del segnale emesso nella finestra ottica desiderata di 650-900 nm, una regione di assorbimento ridotto al minimo e dispersione, utilizzando la risonanza bioluminescenza trasferimento di energia (BRET) 11-13. Come strumento per migliorare la rilevazione del segnale, BRET, che utilizza una sorgente bioluminescente come donatore e un fluoroforo aggiunto come accettore, ha trovato un successo limitato. Come un esempio fondamentale di questo fenomeno, "punti quantici auto-illuminante4; (SIQDs) 14 costituiti modificato Renilla reniformis luciferases legati allo strato di polimero-lisina esterno punti di commercialmente disponibile quantici (QD). Su substrato Inoltre, la reazione di bioluminescenza risultante induce l'emissione di fluorescenza dai QD, generando una significativa produzione di fotoni rossi. Tuttavia, questi SIQDs hanno limitato l'applicabilità di visualizzazione in vivo di eventi fisiologicamente rilevanti. Questa limitata applicabilità è probabilmente dovuto alla difficoltà di collegare la sonda doppia all'organo, cella o gene di interesse, poiché i SIQDs non possono essere geneticamente codificati e richiedere pertanto una modifica secondario del guscio di polimero. Per migliorare la loro applicabilità, SIQDs alternativi, dove i luciferasi sono tenuti direttamente al core luminescenti, recentemente sono stati impiegati 15. Costruendo fuori del concetto SIQD, un sistema di BRET più applicabile stata ottenuta collegando Cypridina luciferasi in undocyanine tintura 16, che era specificamente diretta tumori nei topi mentre produce un cambiamento sostanziale rosso da 460 nm a 675 nm. Per sottoporsi trasferimento di energia non radiativo, BRET segue gli stessi vincoli primari come la sua controparte fluorescente: ci deve essere una forte sovrapposizione spettrale tra l'emissione del donatore e l'accettore spettri di eccitazione e la distanza di lavoro tra le due porzioni devono essere dell'ordine del raggio Förster (5-14 nm a seconda della coppia donatore-accettore, con un efficace distanza massima pari al doppio del raggio Förster 17). Questa dipendenza distanza limita notevolmente le tipologie di eventi che possono essere osservati con BRET come un mezzo per migliorare il rilevamento.
Recentemente un nuovo approccio è stato identificato e dimostrato sotto sia in vitro che in condizioni in vivo. Costruire fuori la fondazione di BRET, Fluorescenza da Unbound eccitazione di luminescenza (FUEL) 18, 19 </sup> richiede anche una forte sovrapposizione spettrale tra l'luminescenti e componenti fluorescenti. Tuttavia, a differenza di BRET, CARBURANTE è un processo completamente radiativo cui il fotone emesso dalla sorgente luminescente viene assorbito da un fluoroforo otticamente accessibili, che emette successivamente un fotone rosso-spostato secondo la resa quantica fluoroforo. Simile a BRET, questo approccio può essere utilizzato anche per superare i vincoli dell'imaging in presenza di assorbitori ottici. Il conseguente spostamento verso il rosso fornisce un aumento globale e specificità nel segnale rilevato a causa di una diminuzione di attenuazione e una riduzione degli effetti di scattering ottici. FUEL è stato riscontrato tra bioluminescenti Escherichia coli che esprimono l'operone lux e QD 18, 19. Mentre sperimentalmente simile alle SIQDs, esiste una differenza fondamentale: nel carburante, non è necessario per la sorgente luminescente di essere fisicamente legato al fluoroforo, che permette for codifica genetica della sonda luminescente. A causa della rilevazione di successo CARBURANTE tra batteri luminescenti e QD, è possibile che questa tecnica può essere applicata sia superficiale (pelle) e dei tessuti profondi (polmone, fegato) infezioni come Staphylococcus aureus e Klebsiellia pneumoniae.
Dalla relazione del suo significato sperimentale, CARBURANTE è evoluto per includere un modello matematico robusto 20 che può essere utilizzato per prevedere luminescente accettabile e coppie fluorescenti, e le sue applicazioni sono estese e comprendono l'utilizzo in identificazione delle caratteristiche fotofisiche come resa quantica. Descriviamo qui di seguito alcune delle tecniche di base di FUEL. In primo luogo, vi mostriamo le prove di questo fenomeno sia su breve (micron) e lunga (cm) distanze di lavoro, che distingue fondamentalmente carburante dal BRET. In secondo luogo, ci espandiamo sulle possibili coppie COMBUSTIBILE esaminando una vasta gamma di fluorofori e nanoparticelle fluorescenti. Third, applicazioni carburante sono indagato confrontando coppie COMBUSTIBILE mirati e non mirati.
La manifestazione fondamentale del carburante può essere realizzato semplicemente mescolando batteri luminescenti con nanoparticelle fluorescenti o QD. Le due entità saranno fisicamente separati e restano là di ogni efficiente distanza RET. Più difficile è l'ottimizzazione del segnale FUEL sia in vitro che in vivo. In condizioni in vitro, con e senza un assorbitore ottico presenti, di solito l'aggiunta di un eccesso di fluoroforo sarà sufficiente a massimizzare la risposta del combustibile. Tuttavia, a concentrazioni elevate fenomeni come quenching statico o collisione può portare ad una perdita di segnale fluorescente. L'esecuzione di una serie di diluizioni variando autonomamente la concentrazione della sorgente luminescente e il fluoroforo aiuterà ad ottimizzare le concentrazioni desiderate. La creazione e l'ottimizzazione di carburante in concentrazioni vivo è molto più difficile e deve essere affrontato caso per caso. Può essere difficile creare un condition dove l'entità fluorescente può essere letta otticamente dalla sorgente luminescente. In quanto tale, a cominciare da co-iniezioni dirette delle due frazioni in grado di fornire informazioni riguardanti il successo di FUEL in condizioni ottimali.
Esistono protocolli standard per i batteri di etichettatura e cellule eucariotiche con entità fluorescenti come la serie Alexa e QD. Spesso questo richiede funzionalizzazione superficiale o attivazione con anticorpi, che può portare ad effetti indesiderati come la vitalità cellulare ridotta o attività metabolica alterata. Per ovviare a questo, è importante determinare la quantità ottimale di anticorpo o l'agente di attivazione necessario che minimizza perturbazioni cellulari massimizzando la marcatura fluorescente. L'uso di QD è vantaggioso a causa della loro caratteristicamente ampio spettro di eccitazione, spettri di emissione stretta e sintonizzabile, e la possibilità di un grande spostamento di Stokes. Tuttavia, QD possono essere citotossici e non possono essere desiderabile in alcuni casi.
<pclass = "jove_content"> CARBURANTE è un fenomeno che è presente in molti esperimenti BRET 13 ed è applicabile ad una varietà di fonti luminescenti e fluorescenti. Fino ad ora, i fotoni derivanti da CARBURANTE sono stati considerati il prodotto di interazioni non specifiche o un segnale di fondo sfortunato risultanti da esperimenti BRET mal progettati. E 'solo con il tipo di esperimenti hanno dimostrato qui che siamo stati in grado di identificare l'utilità di questo segnale non desiderato. Negli esempi illustrati, i batteri luminescenti agiscono come fonte di eccitazione diffusa in grado di suscitare una risposta fluorescente standard da una grande varietà di entità fluorescenti. Inoltre, a causa della notevole distanza di lavoro, è lecito concludere che mentre il carburante può essere costruito senza il verificarsi di BRET, in BRET generale, non può essere osservato senza il contributo di FUEL. È importante sottolineare che, a causa della mancanza di un requisito di targeting, carburante può essere utilizzata per coprire il gap spaziale esistente tra BRET ectecniche di imaging intero animale onventional.The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano estendere la loro gratitudine per il sostegno finanziario della Fondazione Pasteur di New York (JD, CS, CS), l'EU-FP7 programma "Automation" (SLS), il Programma di Carnot Institut 11 (JD, AH , AR, RT, SLS) e Project Imnos (a RT, SLS), la Fondazione di beneficenza Conny-Maeve (SLS), il Master Europeo in Imaging Molecolare (a IT), i programmi Regione Ile de France MODEXA (SLS), SESAME (SLS) e DimMalInf (SLS, RT), l'ANR Programma Grandes Investissement de l'avenir Infrastrutture Nationales en Biologie-Santé: Francia LifebioImaging (FLI) Francia Vita Imaging (RT, SLS), Francia Bioimmagini (JD, SLS) e il Institut Pasteur di Parigi. Inoltre, gli autori desiderano ringraziare, José Bengoechea e Herbert Schweizer per i reagenti. Inoltre, gli autori desiderano ringraziare Cindy Fevre che ha generato gli anticorpi.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Escherichia coli expressing the luxABCDE operon | kindly provided by José A. Bengoechea with permission from Herbert P. Schweizer | ||
Klebsiella pneumoniae 52145 | 52145 is a serotype K2 reference strain | ||
Luria Bertani (LB) | standard growth media | ||
Q-Tracker 705 | Life Sciences | Q21061MP | |
Q-Tracker 800 | Life Sciences | Q21071MP | |
Alexa 555 | Life Sciences | S21381 | |
Alexa 568 | Life Sciences | S11226 | |
Alexa 633 | Life Sciences | S21375 | |
Alexa 700 | Life Sciences | S21383 | |
Non-fluorescent microspheres | Polysciences, Inc | 15913 | |
Pink microspheres | Life Sciences | F8887 | 40nm diameter |
yellow microspheres | Life Sciences | F8888 | 40nm diameter |
Ivis Spectrum | PerkinElmer | ||
EZ-Link Sulfo-NHS-LC-Biotin | Thermo Scientific Pierce | 21425 | |
Zeba Spin Desalting Columns 7K MWCO | Thermo Scientific Pierce | 21425 | |
HABA assay kit | Thermo Scientific Pierce | 28005 | |
Bradford assay | Bio-Rad | 500-0201 |