Imaging the invisible-Bioorthogonal Raman probes for imaging of cells and tissues.
Raman spectroscopy
Raman tags
SRS
bacteria
eukaryotic cells
multiplexing
stable isotope labeling
tissues
Journal
Journal of biophotonics
ISSN: 1864-0648
Titre abrégé: J Biophotonics
Pays: Germany
ID NLM: 101318567
Informations de publication
Date de publication:
09 2020
09 2020
Historique:
received:
07
04
2020
revised:
09
05
2020
accepted:
11
05
2020
pubmed:
1
6
2020
medline:
24
6
2021
entrez:
1
6
2020
Statut:
ppublish
Résumé
A revolutionary avenue for vibrational imaging with super-multiplexing capability can be seen in the recent development of Raman-active bioortogonal tags or labels. These tags and isotopic labels represent groups of chemically inert and small modifications, which can be introduced to any biomolecule of interest and then supplied to single cells or entire organisms. Recent developments in the field of spontaneous Raman spectroscopy and stimulated Raman spectroscopy in combination with targeted imaging of biomolecules within living systems are the main focus of this review. After having introduced common strategies for bioorthogonal labeling, we present applications thereof for profiling of resistance patterns in bacterial cells, investigations of pharmaceutical drug-cell interactions in eukaryotic cells and cancer diagnosis in whole tissue samples. Ultimately, this approach proves to be a flexible and robust tool for in vivo imaging on several length scales and provides comparable information as fluorescence-based imaging without the need of bulky fluorescent tags.
Identifiants
pubmed: 32475014
doi: 10.1002/jbio.202000129
doi:
Types de publication
Journal Article
Research Support, Non-U.S. Gov't
Review
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e202000129Informations de copyright
© 2020 The Authors. Journal of Biophotonics published by WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.
Références
C. Krafft, M. Schmitt, I. W. Schie, D. Cialla-May, C. Matthäus, T. Bocklitz, J. Popp, Angew. Chemie - Int. Ed. 2017, 56(16), 4392.
L. Woolford, M. Chen, K. Dholakia, C. S. Herrington, J. Biophotonics 2018, 11(4), e201700244.
S. Rangan, H. G. Schulze, M. Z. Vardaki, M. W. Blades, J. M. Piret, R. F. B. Turner, Analyst 2020, 145(6), 2070.
M. S. Bergholt, A. Serio, M. B. Albro, Front. Bioeng. Biotechnol. 2019, 7, 1.
E. Szafraniec, E. Kus, A. Wislocka, B. Kukla, E. Sierka, V. Untereiner, G. D. Sockalingum, S. Chlopicki, M. Baranska, J. Biophotonics 2019, 12(4), e201800290.
R. Daum, E. M. Brauchle, D. A. C. Berrio, T. P. Jurkowski, K. Schenke-Layland, Sci. Rep. 2019, 9(1), 7014.
S. Managò, P. Mirabelli, M. Napolitano, G. Zito, A. C. De Luca, J. Biophotonics 2018, 11(5), e201700265.
Z. Farhane, F. Bonnier, H. J. Byrne, J. Biophotonics 2018, 11(1), 1.
C. Cao, D. Zhou, T. Chen, A. M. Streets, Y. Huang, Anal. Chem. 2016, 88(9), 4931.
H. Moradi, A. Ahmad, D. Shepherdson, N. H. Vuong, G. Niedbala, L. Eapen, B. Vanderhyden, B. Nyiri, S. Murugkar, J. Biophotonics 2017, 10(10), 1327.
K. Hiramatsu, T. Ideguchi, Y. Yonamine, S. Lee, Y. Luo, K. Hashimoto, T. Ito, M. Hase, J.-W. Park, Y. Kasai, S. Sakuma, T. Hayakawa, F. Arai, Y. Hoshino, K. Goda, Sci. Adv. 2019, 5(1), eaau0241.
S. Corsetti, T. Rabl, D. McGloin, G. Nabi, J. Biophotonics 2018, 11(3), e201700166.
C. Krafft, I. W. Schie, T. Meyer, M. Schmitt, J. Popp, Chem. Soc. Rev. 2016, 45(7), 1819.
N. A. Brazhe, K. Thomsen, M. Lønstrup, A. R. Brazhe, E. I. Nikelshparg, G. V. Maksimov, M. Lauritzen, O. Sosnovtseva, J. Biophotonics 2018, 11(6), e201700311.
V. Dugandžić, D. Drikermann, O. Ryabchykov, A. Undisz, I. Vilotijević, S. Lorkowski, T. W. Bocklitz, C. Matthäus, K. Weber, D. Cialla-May, J. Popp, J. Biophotonics 2018, 11(12), e201800013.
W. J. Tipping, M. Lee, A. Serrels, V. G. Brunton, A. N. Hulme, Chem. Soc. Rev. 2016, 45(8), 2075.
H. Tu, S. A. Boppart, J. Biophotonics 2014, 7(1-2), 9.
S. P. Laptenok, V. P. Rajamanickam, L. Genchi, T. Monfort, Y. Lee, I. I. Patel, A. Bertoncini, C. Liberale, J. Biophotonics 2019, 12(9), 1.
C. H. Camp Jr.. , Y. J. Lee, J. M. Heddleston, C. M. Hartshorn, A. R. H. Walker, J. N. Rich, J. D. Lathia, M. T. Cicerone, Nat. Photonics 2014, 8(8), 627.
Y. Shen, F. Hu, W. Min, Annu. Rev. Biophys. 2019, 48(1), 347.
Z. Zhao, Y. Shen, F. Hu, W. Min, Analyst 2017, 142(21), 4018.
L. Wei, Z. Chen, L. Shi, R. Long, A. V. Anzalone, L. Zhang, F. Hu, R. Yuste, V. W. Cornish, W. Min, Nature 2017, 544(7651), 465.
M. M. Gaschler, F. Hu, H. Feng, A. Linkermann, W. Min, B. R. Stockwell, ACS Chem. Biol. 2018, 13(4), 1013.
H. Muhamadali, M. Chisanga, A. Subaihi, R. Goodacre, Anal. Chem. 2015, 87(8), 4578.
M. Li, J. Wu, M. Ma, Z. Feng, Z. Mi, P. Rong, D. Liu, Nanotheranostics 2019, 3(1), 113.
Y. Zeng, K. M. Koo, M. Trau, A. G. Shen, J. M. Hu, Appl. Mater. Today 2019, 15, 431.
D. Cialla-May, X.-S. Zheng, K. Weber, J. Popp, Chem. Soc. Rev. 2017, 46(13), 3945.
M. Kögler, Y. V. Ryabchikov, S. Uusitalo, A. Popov, A. Popov, G. Tselikov, A.-L. Välimaa, A. Al-Kattan, J. Hiltunen, R. Laitinen, P. Neubauer, I. Meglinski, A. V. Kabashin, J. Biophotonics 2018, 11(7), e201700225.
I. Pence, A. Mahadevan-Jansen, Chem. Soc. Rev. 2016, 45(7), 1958.
S. Stöckel, J. Kirchhoff, U. Neugebauer, P. Rösch, J. Popp, J. Raman Spectrosc. 2016, 47(1), 89.
Y. Li, Z. Wang, X. Mu, A. Ma, S. Guo, Biotechnol. Adv. 2017, 35(2), 168.
B. Lorenz, C. Wichmann, S. Stöckel, P. Rösch, J. Popp, Trends Microbiol. 2017, 25(5), 413.
M. Taubert, S. Stöckel, P. Geesink, S. Girnus, N. Jehmlich, M. von Bergen, P. Rösch, J. Popp, K. Küsel, Environ. Microbiol. 2018, 20(1), 369.
C. Stiebing, C. Matthäus, C. Krafft, A. A. Keller, K. Weber, S. Lorkowski, J. Popp, Anal. Bioanal. Chem. 2014, 406(27), 7037.
F. Hu, M. R. Lamprecht, L. Wei, B. Morrison, W. Min, Sci. Rep. 2016, 6(1), 39660.
W. R. Abraham, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2014, 98(11), 4817.
Y. Wang, W. E. Huang, L. Cui, M. Wagner, Curr. Opin. Biotechnol. 2016, 41, 34.
V. Zachleder, M. Vítová, M. Hlavová, Š. Moudříková, P. Mojzeš, H. Heumann, J. R. Becher, K. Bišová, Biotechnol. Adv. 2018, 36(3), 784.
C. Stiebing, L. Schmölz, M. Wallert, C. Matthäus, S. Lorkowski, J. Popp, J. Lipid Res. 2017, 58(5), 876.
A. Alfonso-García, S. G. Pfisterer, H. Riezman, E. Ikonen, E. O. Potma, J. Biomed. Opt. 2015, 21(6), 061003.
L. Wei, F. Hu, Y. Shen, Z. Chen, Y. Yu, C. C. Lin, M. C. Wang, W. Min, Nat. Methods 2014, 11(4), 410.
L. Lin, X. Tian, S. Hong, P. Dai, Q. You, R. Wang, L. Feng, C. Xie, Z.-Q. Tian, X. Chen, Angew. Chemie Int. Ed. 2013, 52(28), 7266.
H. Xiong, L. Shi, L. Wei, Y. Shen, R. Long, Z. Zhao, W. Min, Nat. Photonics 2019, 13, 412.
F. Hu, C. Zeng, R. Long, Y. Miao, L. Wei, Q. Xu, W. Min, Nat. Methods 2018, 15(3), 194.
F. Hu, L. Shi, W. Min, Nat. Methods 2019, 16(9), 830.
Y. Miao, L. Shi, F. Hu, W. Min, Phys. Biol. 2019, 16(4), 041003.
G. R. Huys, J. Raes, Curr. Opin. Microbiol. 2018, 44, 1.
J. Xu, D. Zhu, A. D. Ibrahim, C. C. R. Allen, C. M. Gibson, P. W. Fowler, Y. Song, W. E. Huang, Anal. Chem. 2017, 89(24), 13305.
S. Zhang, L. Guo, K. Yang, Y. Zhang, C. Ye, S. Chen, X. Yu, W. E. Huang, L. Cui, Front. Microbiol. 2018, 9(SEP), 1.
S. B. Zaman, M. A. Hussain, R. Nye, V. Mehta, K. T. Mamun, N. Hossain, Cureus 2017, 9(6), e1403.
U. C. Schröder, J. Kirchhoff, U. Hübner, G. Mayer, U. Glaser, T. Henkel, W. Pfister, W. Fritzsche, J. Popp, U. Neugebauer, J. Biophotonics 2017, 10(11), 1547.
S. Stöckel, S. Meisel, B. Lorenz, S. Kloß, S. Henk, S. Dees, E. Richter, S. Andres, M. Merker, I. Labugger, P. Rösch, J. Popp, J. Biophotonics 2017, 10(5), 727.
A. van Belkum, T. T. Bachmann, G. Lüdke, J. G. Lisby, G. Kahlmeter, A. Mohess, K. Becker, J. P. Hays, N. Woodford, K. Mitsakakis, J. Moran-Gilad, J. Vila, H. Peter, J. H. Rex, W. M. Dunne, Nat. Rev. Microbiol. 2019, 17(1), 51.
H. Thomsen, F. E. Graf, A. Farewell, M. B. Ericson, J. Biophotonics 2018, 11(10), e201800018.
R. Bresolí-Obach, I. Gispert, D. G. Peña, S. Boga, Ó. Gulias, M. Agut, M. E. Vázquez, S. Nonell, J. Biophotonics 2018, 11(10), e201800054.
W. Hong, C. W. Karanja, N. S. Abutaleb, W. Younis, X. Zhang, M. N. Seleem, J.-X. Cheng, Anal. Chem. 2018, 90(6), 3737.
K. Yang, H. Z. Li, X. Zhu, J. Q. Su, B. Ren, Y. G. Zhu, L. Cui, Anal. Chem. 2019, 91(9), 6296.
Y. Song, L. Cui, J. Á. S. López, J. Xu, Y. G. Zhu, I. P. Thompson, W. E. Huang, Sci. Rep. 2017, 7(1), 16648.
Y. Tao, Y. Wang, S. Huang, P. Zhu, W. E. Huang, J. Ling, J. Xu, Anal. Chem. 2017, 89(7), 4108.
Y. Liao, B. W. Brandt, J. Li, W. Crielaard, C. Van Loveren, D. M. Deng, J. Oral Microbiol. 2017, 9(1), 1344509.
D. Berry, E. Mader, T. K. Lee, D. Woebken, Y. Wang, D. Zhu, M. Palatinszky, A. Schintlmeister, M. C. Schmid, B. T. Hanson, N. Shterzer, I. Mizrahi, I. Rauch, T. Decker, T. Bocklitz, J. Popp, C. M. Gibson, P. W. Fowler, W. E. Huang, M. Wagner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, 112(2), E194.
M. Li, W. E. Huang, C. M. Gibson, P. W. Fowler, A. Jousset, Anal. Chem. 2013, 85(3), 1642.
Y. Wang, Y. Song, Y. Tao, H. Muhamadali, R. Goodacre, N.-Y. Zhou, G. M. Preston, J. Xu, W. E. Huang, Anal. Chem. 2016, 88(19), 9443.
O. O. Olaniyi, K. Yang, Y. G. Zhu, L. Cui, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2019, 103(3), 1455.
B. N. Kumar, S. Guo, T. Bocklitz, P. Rösch, J. Popp, V. B. N. Kumar, S. Guo, T. Bocklitz, P. Rösch, J. Popp, Anal. Chem. 2016, 88(15), 7574.
Z. Shen, S. Zhong, Y. Wang, B. Wang, X. Mei, R. Li, Y. Ruan, Q. Shen, Eur. J. Soil Biol. 2013, 57, 1.
B. J. Enagbonma, O. O. Babalola, Ann. Microbiol. 2019, 69(3), 211.
H. Z. Li, Q. F. Bi, K. Yang, B. X. Zheng, Q. Pu, L. Cui, Anal. Chem. 2019, 91(3), 2239.
S. A. Eichorst, F. Strasser, T. Woyke, A. Schintlmeister, M. Wagner, D. Woebken, FEMS Microbiol. Ecol. 2015, 91(10), fiv106.
K. S. Lee, M. Palatinszky, F. C. Pereira, J. Nguyen, V. I. Fernandez, A. J. Mueller, F. Menolascina, H. Daims, D. Berry, M. Wagner, R. Stocker, Nat. Microbiol. 2019, 4(5), 902.
A. Y. Lau, L. P. Lee, J. W. Chan, Lab Chip 2008, 8(7), 1116.
C. Wyatt Shields IV. , C. D. Reyes, G. P. López, Lab Chip 2015, 15(5), 1230.
W. E. Huang, A. D. Ward, A. S. Whiteley, Environ. Microbiol. Rep. 2009, 1(1), 44.
X. Wang, L. Ren, Y. Su, Y. Ji, Y. Liu, C. Li, X. Li, Y. Zhang, W. Wang, Q. Hu, D. Han, J. Xu, B. Ma, Anal. Chem. 2017, 89(22), 12569.
N. P. Ivleva, P. Kubryk, R. Niessner, Anal. Bioanal. Chem. 2017, 409(18), 4353.
P. Zhang, L. Ren, X. Zhang, Y. Shan, Y. Wang, Y. Ji, H. Yin, W. E. Huang, J. Xu, B. Ma, Anal. Chem. 2015, 87(4), 2282.
D. J. Kushner, A. Baker, T. G. Dunstall, Can. J. Physiol. Pharmacol. 1999, 77(2), 79.
M. D. Leavell, A. H. Singh, B. B. Kaufmann-Malaga, Curr. Opin. Biotechnol. 2020, 62, 22.
Z. Farhane, F. Bonnier, M. A. Maher, J. Bryant, A. Casey, H. J. Byrne, J. Biophotonics 2017, 10(1), 151.
H. Yamakoshi, K. Dodo, M. Okada, J. Ando, A. Palonpon, K. Fujita, S. Kawata, M. Sodeoka, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133(16), 6102.
S. F. El-Mashtoly, D. Petersen, H. K. Yosef, A. Mosig, A. Reinacher-Schick, C. Kötting, K. Gerwert, Analyst 2014, 139(5), 1155.
W. J. Tipping, M. Lee, A. Serrels, V. G. Brunton, A. N. Hulme, Chem. Sci. 2017, 8(8), 5606.
K. Bae, W. Zheng, Y. Ma, Z. Huang, Anal. Chem. 2020, 92(1), 740.
S. Hong, T. Chen, Y. Zhu, A. Li, Y. Huang, X. Chen, Angew. Chemie - Int. Ed. 2014, 53(23), 5827.
S. Ghosh-Choudhary, J. Liu, T. Finkel, Trends Cell Biol. 2020, 30(3), 201.
F. Hu, Z. Chen, L. Zhang, Y. Shen, L. Wei, W. Min, Angew. Chemie - Int. Ed. 2015, 54(34), 9821.
R. Long, L. Zhang, L. Shi, Y. Shen, F. Hu, C. Zeng, W. Min, Chem. Commun. 2017, 54(2), 152.
J. Li, J. X. Cheng, Sci. Rep. 2014, 4(1), 6807.
D. Fu, Y. Yu, A. Folick, E. Currie, R. V. Farese, T. H. Tsai, X. S. Xie, M. C. Wang, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136(24), 8820.
C. Matthäus, C. Krafft, B. Dietzek, B. R. Brehm, S. Lorkowski, J. Popp, Anal. Chem. 2012, 84(20), 8549.
C. Stiebing, T. Meyer, I. Rimke, C. Matthäus, M. Schmitt, S. Lorkowski, J. Popp, J. Biophotonics 2017, 10(9), 1217.
L. Wei, Y. Yu, Y. Shen, M. C. Wang, W. Min, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110(28), 11226.
L. Wei, Y. Shen, F. Xu, F. Hu, J. K. Harrington, K. L. Targoff, W. Min, ACS Chem. Biol. 2015, 10(3), 901.
C. Zeng, F. Hu, R. Long, W. Min, Analyst 2018, 143(20), 4844.
L. Zhang, W. Min, J. Biomed. Opt. 2017, 22(10), 1.
J. Zhang, S. Yan, Z. He, C. Ding, T. Zhai, Y. Chen, H. Li, G. Yang, X. Zhou, P. Wang, J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9(16), 4679.
Z. Chen, D. W. Paley, L. Wei, A. L. Weisman, R. A. Friesner, C. Nuckolls, W. Min, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136(22), 8027.
X. Li, M. Jiang, J. W. Y. Lam, B. Z. Tang, J. Y. Qu, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139(47), 17022.
L. C. Zanetti-Domingues, C. J. Tynan, D. J. Rolfe, D. T. Clarke, M. Martin-Fernandez, PLoS One 2013, 8(9), e74200.
L. D. Hughes, R. J. Rawle, S. G. Boxer, PLoS One 2014, 9(2), e87649.
K. Galler, E. Fröhlich, A. Kortgen, M. Bauer, J. Popp, U. Neugebauer, Anal. Bioanal. Chem. 2016, 408(28), 8053.
R. V. Chertkova, N. A. Brazhe, T. V. Bryantseva, A. N. Nekrasov, D. A. Dolgikh, A. I. Yusipovich, O. Sosnovtseva, G. V. Maksimov, A. B. Rubin, M. P. Kirpichnikov, PLoS One 2017, 12(5), 1.
H. Yamakoshi, A. Palonpon, K. Dodo, J. Ando, S. Kawata, K. Fujita, M. Sodeoka, Bioorganic Med. Chem. Lett. 2015, 25(3), 664.
K. Czamara, E. Karnas, Z. Majka, T. Wojcik, E. K. Zuba-Surma, M. Baranska, A. Kaczor, J. Biophotonics 2019, 12(2), e201800152.
B. G. Saar, C. W. Freudiger, J. Reichman, C. M. Stanley, G. R. Holtom, X. S. Xie, Science 2010, 330(6009), 1368.
M. Wei, L. Shi, Y. Shen, Z. Zhao, A. Guzman, L. J. Kaufman, L. Wei, W. Min, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116(14), 6608.
Q. Q. Jin, X. Fan, C. Chen, L. Huang, J. Wang, X. Tang, Anal. Chem. 2019, 91(6), 3784.
W. S. Chiu, N. A. Belsey, N. L. Garrett, J. Moger, M. B. Delgado-Charro, R. H. Guy, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2015, 112(25), 7725.
B. Lloyd-Lewis, F. M. Davis, O. B. Harris, J. R. Hitchcock, F. C. Lourenco, M. Pasche, C. J. Watson, Breast Cancer Res. 2016, 18(1), 127.
D. S. Richardson, J. W. Lichtman, Cell 2015, 162(2), 246.