Die Biofluoreszenz-Bildgebung wird häufig zur Visualisierung biologischer Phänomene eingesetzt. Meist werden zu diesem Zweck fluoreszierende Proteine und Quantenpunkte als Fluorophore verwendet, wobei sichtbares Licht häufig als Anregungsquelle dient. Die hohe Energie von kurzwelligem Licht – z. B. im sichtbaren Spektrum – hat jedoch im Vergleich zum längerwelligen Nahinfrarotlicht (NIR) unerwünschte Auswirkungen:
- Mehr Photobleaching
- Höhere Phototoxizität für die biologischen Proben
- Begrenzte Eindringtiefe aufgrund stärkerer Streuung
Die Aufwärtskonversion ist ein Bildgebungsverfahren, bei dem sichtbare Fluoreszenz durch Anregung mit Nahinfrarotlicht (NIR) erfasst wird. Das Interesse daran ist in den letzten Jahren gestiegen, da sie eine Möglichkeit bietet, die oben genannten Probleme bei der Fluoreszenzbildgebung zu umgehen.
Was versteht man unter Aufwärtskonversion?
Aufwärtskonversion (Upconversion) bezeichnet das Phänomen der Anregung durch langwelliges Licht (z. B. im nahen Infrarot) und der Emission von Licht kürzerer Wellenlänge (sichtbares oder UV-Licht) als das Anregungslicht.
Bei der Bildgebung mit Upconversion-Nanopartikeln (UCNPs) wird ein Dauerstrich-Diodenlaser zur Anregung und mehrstufigen Anregung durch Bestrahlung mit Nahinfrarotlicht verwendet, um kurzwelliges, energiereiches sichtbares Licht zu emittieren.
Abbildung 1.Schema der Photonenaufwärtskonversion
Was sind die Vorteile der Bildgebung mit Aufwärtskonversion?
Bei der Fluoreszenzbildgebung mit UCNPs wird ein Laser mit NIR-Wellenlänge (808 nm, 980 nm usw.) für die Anregung verwendet, was die Abbildung von tieferen Geweben und von Organismen mit weniger Streuung ermöglicht. Da Licht mit längerer Wellenlänge eine geringere Energie hat, schädigt es den Organismus weniger im Vergleich zur Anregung durch sichtbares Licht mit höherer Energie. UCNPs sind außerdem sehr stabil und resistenter gegen Photobleaching, so dass sie sich gut für die Bildgebung von Zellen und lebenden Organismen eignen.
Außerdem kann die Anregung zur Aufwärtskonversion mit einem Dauerstrich-Diodenlaser anstatt mit einem gepulsten Hochleistungslaser erfolgen. Dadurch lassen sich Forschungsexperimente innerhalb des optimalen biologischen NIR-Fensters* mit einem einfachen konfokalen Mikroskopsystem anstelle eines komplexeren und teureren Multiphotonenmikroskopsystems durchführen.
Abbildung 2.Beispiel für ein Konfokalmikroskop der FLUOVIEW Serie mit einer Lasereinführungseinheit für die Aufwärtskonversion
Anwendungsbeispiele für die Aufwärtskonversion:
- Abspaltung von caged-Verbindungen
- Aktivierung von Ionenkanälen
- Nervenstimulation
- Lumineszenz-Resonanzenergietransfer (LRET)
Abbildung 3. Zebrafischlarven, fünf Tage nach der Befruchtung.
U87-Gliomzellen wurden 12 Stunden lang mit 5 µg/ml Colominsäure-beschichteten UCNPs inkubiert und 5 Tage nach der Befruchtung in Zebrafischlarven injiziert, um die Verteilung der Nanopartikel im Zebrafisch zu ermitteln.
Grüner Kanal: GFP-Expression durch Endothelzellen in transgenen Zebrafischen
Roter Kanal (UCNPs): 70 nm NaYbF4:Tm@NaYF4 Kern/Schale-Nanopartikel beschichtet mit DSPE-PEG, keine andere Markierung
Bildquelle: Dr. Yiqing Lu, School of Engineering, Macquarie University.
EVIDENT Systeme für die Aufwärtskonversion
Evident bietet konfokale Laser-Scanning-Mikroskopsysteme an, die für die Bildgebung mit Aufwärtskonversion geeignet sind. Auf Anfrage stellen wir ein auf das jeweilige Experiment zugeschnittenes System mit der geeigneten Art und Anzahl von Lasern zusammen.
Bitte wenden Sie sich an den Vertriebspartner in Ihrer Nähe, wenn Sie Fragen haben oder ein Angebot wünschen.
* Biologisches optisches Fenster: Nahinfrarot-Wellenlängenbereich (650 nm–1000 nm), in dem das Licht leicht in lebende Organismen eindringt.
Literaturangabe
▸Na Ren, Na Liang, Xin Yu, Aizhu Wang, Juan Xie, Chunhui Sun. Ligand-free upconversion nanoparticles for cell labeling and their effects on stem cell differentiation. Nanotechnology. 2020 Apr 3;31(14):145101.
▸Yanxiao Ao, Kanghua Zeng, Bin Yu, Yu Miao, Wesley Hung, Zhongzheng Yu, Yanhong Xue, Timothy Thatt Yang Tan, Tao Xu, Mei Zhen, Xiangliang Yang*, Yan Zhang, and Shangbang Gao. An Upconversion Nanoparticle Enables Near Infrared-Optogenetic Manipulation of the Caenorhabditis elegans Motor Circuit. ACS Nano 2019, 13, 3, 3373–3386.
▸Yong-Xiang Wu, Xiao-Bing Zhang, Dai-Liang Zhang, Cui-Cui Zhang, Jun-Bin Li, Yuan Wu, Zhi-Ling Song, Ru-Qin Yu, Weihong Tan. Quench-Shield Ratiometric Upconversion Luminescence Nanoplatform for Biosensing. Analytical Chemistry 2016, 88, 3, 1639–1646.
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