Engineering Nanowire-Mediated Cell Lysis for Microbial Cell Identification
Creators
- 1. Japan Science and Technology Agency
- 2. Kyushu University
- 3. Osaka University
- 4. Nagoya University
- 5. King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang
- 6. Kyoto University
- 7. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
- 8. Kaohsiung Medical University
Description
Researchers have demonstrated great promise for inorganic nanowire use in analyzing cells or intracellular components. Although a stealth effect of nanowires toward cell surfaces allows preservation of the living intact cells when analyzing cells, as a completely opposite approach, the applicability to analyze intracellular components through disrupting cells is also central to understanding cellular information. However, the reported lysis strategy is insufficient for microbial cell lysis due to the cell robustness and wrong approach taken so far ( i. e., nanowire penetration into a cell membrane). Here we propose a nanowire-mediated lysis method for microbial cells by introducing the rupture approach initiated by cell membrane stretching; in other words, the nanowires do not penetrate the membrane, but rather they break the membrane between the nanowires. Entangling cells with the bacteria-compatible and flexible nanowires and membrane stretching of the entangled cells, induced by the shear force, play important roles for the nanowire-mediated lysis to Gram-positive and Gram-negative bacteria and yeast cells. Additionally, the nanowire-mediated lysis is readily compatible with the loop-mediated isothermal amplification (LAMP) method because the lysis is triggered by simply introducing the microbial cells. We show that an integration of the nanowire-mediated lysis with LAMP provides a means for a simple, rapid, one-step identification assay (just introducing a premixed solution into a device), resulting in visual chromatic identification of microbial cells. This approach allows researchers to develop a microfluidic analytical platform not only for microbial cell identification including drug- and heat-resistance cells but also for on-site detection without any contamination.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
أظهر الباحثون وعدًا كبيرًا لاستخدام الأسلاك النانوية غير العضوية في تحليل الخلايا أو المكونات داخل الخلايا. على الرغم من أن التأثير الخفي للأسلاك النانوية تجاه أسطح الخلايا يسمح بالحفاظ على الخلايا السليمة الحية عند تحليل الخلايا، كنهج معاكس تمامًا، فإن قابلية تطبيق تحليل المكونات داخل الخلايا من خلال تعطيل الخلايا أمر أساسي أيضًا لفهم المعلومات الخلوية. ومع ذلك، فإن استراتيجية التحلل المبلغ عنها غير كافية لتحلل الخلايا الميكروبية بسبب متانة الخلية والنهج الخاطئ المتبع حتى الآن ( أي اختراق الأسلاك النانوية في غشاء الخلية). نقترح هنا طريقة تحلل بوساطة الأسلاك النانوية للخلايا الميكروبية من خلال إدخال نهج التمزق الذي بدأه تمدد غشاء الخلية ؛ بمعنى آخر، لا تخترق الأسلاك النانوية الغشاء، بل تكسر الغشاء بين الأسلاك النانوية. تلعب الخلايا المتشابكة مع الأسلاك النانوية المتوافقة مع البكتيريا والمرنة والغشاء الممتد للخلايا المتشابكة، التي تسببها قوة القص، أدوارًا مهمة في التحلل بوساطة الأسلاك النانوية للبكتيريا إيجابية الجرام وسالبة الجرام وخلايا الخميرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التحلل بوساطة الأسلاك النانوية متوافق بسهولة مع طريقة التضخيم الحراري المتساوي الحلقي (LAMP) لأن التحلل يتم تشغيله ببساطة عن طريق إدخال الخلايا الميكروبية. نظهر أن دمج التحلل بوساطة الأسلاك النانوية مع المصباح يوفر وسيلة لفحص تحديد بسيط وسريع من خطوة واحدة (مجرد إدخال محلول مخلوط مسبقًا في جهاز)، مما يؤدي إلى تحديد لوني بصري للخلايا الميكروبية. يسمح هذا النهج للباحثين بتطوير منصة تحليلية للسوائل الدقيقة ليس فقط لتحديد الخلايا الميكروبية بما في ذلك خلايا مقاومة للأدوية والحرارة ولكن أيضًا للكشف في الموقع دون أي تلوث.Translated Description (French)
Les chercheurs ont démontré une grande promesse pour l'utilisation de nanofils inorganiques dans l'analyse de cellules ou de composants intracellulaires. Bien qu'un effet furtif des nanofils vers les surfaces cellulaires permette de préserver les cellules intactes vivantes lors de l'analyse des cellules, dans une approche complètement opposée, l'applicabilité de l'analyse des composants intracellulaires par le biais de cellules perturbatrices est également essentielle à la compréhension des informations cellulaires. Cependant, la stratégie de lyse rapportée est insuffisante pour la lyse des cellules microbiennes en raison de la robustesse des cellules et de la mauvaise approche adoptée jusqu'à présent ( c'est-à-dire la pénétration des nanofils dans une membrane cellulaire). Nous proposons ici une méthode de lyse par nanofils pour les cellules microbiennes en introduisant l'approche de rupture initiée par l'étirement de la membrane cellulaire ; en d'autres termes, les nanofils ne pénètrent pas dans la membrane, mais brisent plutôt la membrane entre les nanofils. L'enchevêtrement des cellules avec les nanofils flexibles et compatibles avec les bactéries et l'étirement membranaire des cellules enchevêtrées, induit par la force de cisaillement, jouent un rôle important pour la lyse médiée par les nanofils vers les bactéries à Gram positif et à Gram négatif et les cellules de levure. De plus, la lyse à médiation par nanofils est facilement compatible avec la méthode d'amplification isotherme à médiation par boucle (LAMP), car la lyse est déclenchée par simple introduction des cellules microbiennes. Nous montrons qu'une intégration de la lyse à médiation par nanofils avec la LAMPE fournit un moyen pour un test d'identification simple, rapide et en une étape (simplement introduire une solution prémélangée dans un dispositif), résultant en une identification chromatique visuelle des cellules microbiennes. Cette approche permet aux chercheurs de développer une plate-forme analytique microfluidique non seulement pour l'identification des cellules microbiennes, y compris les cellules résistantes aux médicaments et à la chaleur, mais également pour la détection sur site sans aucune contamination.Translated Description (Spanish)
Los investigadores han demostrado ser muy prometedores para el uso de nanocables inorgánicos en el análisis de células o componentes intracelulares. Aunque un efecto sigiloso de los nanocables hacia las superficies celulares permite preservar las células vivas intactas cuando se analizan las células, como un enfoque completamente opuesto, la aplicabilidad para analizar los componentes intracelulares a través de la alteración de las células también es fundamental para comprender la información celular. Sin embargo, la estrategia de lisis informada es insuficiente para la lisis de células microbianas debido a la robustez celular y al enfoque incorrecto adoptado hasta ahora ( es decir, la penetración de nanohilos en una membrana celular). Aquí proponemos un método de lisis mediada por nanohilos para células microbianas mediante la introducción del enfoque de ruptura iniciado por el estiramiento de la membrana celular; en otras palabras, los nanohilos no penetran en la membrana, sino que rompen la membrana entre los nanohilos. El enmarañamiento de las células con los nanohilos compatibles y flexibles con las bacterias y el estiramiento de la membrana de las células enmarañadas, inducido por la fuerza de cizallamiento, desempeñan funciones importantes para la lisis mediada por nanohilos a bacterias Gram-positivas y Gram-negativas y células de levadura. Además, la lisis mediada por nanocables es fácilmente compatible con el método de amplificación isotérmica mediada por bucle (LAMP) porque la lisis se desencadena simplemente introduciendo las células microbianas. Mostramos que una integración de la lisis mediada por nanocables con LAMP proporciona un medio para un ensayo de identificación simple, rápido y de un solo paso (simplemente introduciendo una solución premezclada en un dispositivo), lo que resulta en la identificación cromática visual de las células microbianas. Este enfoque permite a los investigadores desarrollar una plataforma analítica microfluídica no solo para la identificación de células microbianas, incluidas las células resistentes a los medicamentos y al calor, sino también para la detección in situ sin ninguna contaminación.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- هندسة تحليل الخلايا المهدأة بالأسلاك النانوية لتحديد الخلايا الميكروبية
- Translated title (French)
- Ingénierie de la lyse cellulaire médiée par les nanofils pour l'identification des cellules microbiennes
- Translated title (Spanish)
- Lisis celular mediada por nanocables de ingeniería para la identificación de células microbianas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2914071364
- DOI
- 10.1021/acsnano.8b08959
References
- https://openalex.org/W1590155876
- https://openalex.org/W1920956051
- https://openalex.org/W1973733161
- https://openalex.org/W1993594213
- https://openalex.org/W2004635538
- https://openalex.org/W2007363842
- https://openalex.org/W2007404630
- https://openalex.org/W2020773233
- https://openalex.org/W2025859185
- https://openalex.org/W2040927563
- https://openalex.org/W2048197073
- https://openalex.org/W2049430046
- https://openalex.org/W2056952640
- https://openalex.org/W2058021000
- https://openalex.org/W2069350458
- https://openalex.org/W2075480381
- https://openalex.org/W2080881211
- https://openalex.org/W2090582107
- https://openalex.org/W2091979118
- https://openalex.org/W2092412094
- https://openalex.org/W2096412466
- https://openalex.org/W2096710736
- https://openalex.org/W2101208278
- https://openalex.org/W2105275554
- https://openalex.org/W2105621204
- https://openalex.org/W2109168464
- https://openalex.org/W2117155287
- https://openalex.org/W2127443063
- https://openalex.org/W2127781077
- https://openalex.org/W2134574414
- https://openalex.org/W2134896855
- https://openalex.org/W2139723357
- https://openalex.org/W2146052711
- https://openalex.org/W2148830711
- https://openalex.org/W2150704922
- https://openalex.org/W2152576294
- https://openalex.org/W2155080166
- https://openalex.org/W2165462684
- https://openalex.org/W2166123725
- https://openalex.org/W2166753002
- https://openalex.org/W2169307827
- https://openalex.org/W2286401915
- https://openalex.org/W2319679278
- https://openalex.org/W2333980800
- https://openalex.org/W2394959344
- https://openalex.org/W2396526060
- https://openalex.org/W2591742030
- https://openalex.org/W2774100359
- https://openalex.org/W4298082974