Abstract

Advances in scattering-based optical imaging technologies offer a new approach to noninvasive point-of-care detection, diagnosis, and monitoring of cancer. Emerging photonics technologies provide a cost-effective means to image tissue in vivo with high resolution in real time. Advancing the clinical potential of these imaging strategies requires the development of optical contrast agents targeted to specific molecular signatures of disease. We describe the use of a novel class of contrast agents based on nanoshell bioconjugates for molecular imaging in living cells. Nanoshells offer significant advantages over conventional imaging probes including continuous and broad wavelength tunability, far greater scattering and absorption coefficients, increased chemical stability, and improved biocompatibility. We show that nanoshell bioconjugates can be used to effectively target and image human epidermal growth factor receptor 2 (HER2), a clinically relevant biomarker, in live human breast carcinoma cells.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
    [CrossRef]
  2. R. Weissleder and U. Mahmood, Radiology 219, 316 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
    [PubMed]
  4. R. Weissleder, Nat. Biotechnol. 19, 316 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
    [CrossRef]
  6. X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
    [PubMed]
  8. S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
    [CrossRef]
  9. S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
    [CrossRef]
  10. L. Tang, L. Liu, and H. Elwing, J. Colloid Interface Sci. 41, 333 (1998).
  11. L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
    [CrossRef]
  13. D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
    [CrossRef]
  14. W. Stober and A. Fink, J. Colloid Interface Sci. 26, 62 (1968).
    [CrossRef]
  15. D. G. Duff and A. Baiker, Langmuir 9, 2301 (1993).
    [CrossRef]

2004

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

2003

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

2002

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

2001

R. Weissleder, Nat. Biotechnol. 19, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

R. Weissleder and U. Mahmood, Radiology 219, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

1999

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
[CrossRef]

1998

L. Tang, L. Liu, and H. Elwing, J. Colloid Interface Sci. 41, 333 (1998).

1996

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

1993

D. G. Duff and A. Baiker, Langmuir 9, 2301 (1993).
[CrossRef]

1976

M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
[PubMed]

1968

W. Stober and A. Fink, J. Colloid Interface Sci. 26, 62 (1968).
[CrossRef]

Aaron, J.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Akerman, M. E.

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

Baiker, A.

D. G. Duff and A. Baiker, Langmuir 9, 2301 (1993).
[CrossRef]

Bankson, J. A.

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Bhatia, S. N.

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

Boppart, S. A.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Bouma, B. E.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Brezinski, M. E.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Chan, W.

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

Chung, L. W.

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Cui, Y.

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Duff, D. G.

D. G. Duff and A. Baiker, Langmuir 9, 2301 (1993).
[CrossRef]

Elwing, H.

L. Tang, L. Liu, and H. Elwing, J. Colloid Interface Sci. 41, 333 (1998).

Fink, A.

W. Stober and A. Fink, J. Colloid Interface Sci. 26, 62 (1968).
[CrossRef]

Follen, M.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Fujimoto, J. G.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Gao, X.

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Halas, N. J.

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
[CrossRef]

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Hale, G. D.

S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
[CrossRef]

Hazle, J. D.

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Hirsch, L. R.

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Jackson, J. B.

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
[CrossRef]

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Kwant, G.

M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
[PubMed]

Laakkonen, P.

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

Landsman, M.

M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
[PubMed]

Lee, A.

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Levenson, R. M.

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Liu, L.

L. Tang, L. Liu, and H. Elwing, J. Colloid Interface Sci. 41, 333 (1998).

Lotan, R.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Mahmood, U.

R. Weissleder and U. Mahmood, Radiology 219, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Malpica, A.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Mook, G.

M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
[PubMed]

Nie, S.

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

O’Neal, D. P.

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

Oldenburg, S. J.

S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
[CrossRef]

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Pavlova, I.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Payne, J. D.

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

Pitris, C.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Price, R. E.

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Richards-Kortum, R.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Rivera, B.

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Ruoslahti, E.

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

Sershen, S. R.

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Sokolov, K.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

Southern, J. F.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Stafford, R. J.

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Stober, W.

W. Stober and A. Fink, J. Colloid Interface Sci. 26, 62 (1968).
[CrossRef]

Tang, L.

L. Tang, L. Liu, and H. Elwing, J. Colloid Interface Sci. 41, 333 (1998).

Tearney, G. J.

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Weissleder, R.

R. Weissleder, Nat. Biotechnol. 19, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

R. Weissleder and U. Mahmood, Radiology 219, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

West, J. L.

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Westcott, S. L.

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

Zijlstra, W.

M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
[PubMed]

Anal. Chem.

L. R. Hirsch, J. B. Jackson, A. Lee, N. J. Halas, and J. L. West, Anal. Chem. 75, 2377 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Appl. Phys. Lett.

S. J. Oldenburg, J. B. Jackson, S. L. Westcott, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 2897 (1999).
[CrossRef]

S. J. Oldenburg, G. D. Hale, J. B. Jackson, and N. J. Halas, Appl. Phys. Lett. 75, 1063 (1999).
[CrossRef]

Cancer Lett. (Shannon, Irel.)

D. P. O’Neal, L. R. Hirsch, N. J. Halas, J. D. Payne, and J. L. West, Cancer Lett. (Shannon, Irel.) 209, 171 (2004).
[CrossRef]

Cancer Res.

K. Sokolov, M. Follen, J. Aaron, I. Pavlova, A. Malpica, R. Lotan, and R. Richards-Kortum, Cancer Res. 63, 1999 (2003).
[PubMed]

J. Appl. Physiol.

M. Landsman, G. Kwant, G. Mook, and W. Zijlstra, J. Appl. Physiol. 40, 575 (1976).
[PubMed]

J. Colloid Interface Sci.

L. Tang, L. Liu, and H. Elwing, J. Colloid Interface Sci. 41, 333 (1998).

W. Stober and A. Fink, J. Colloid Interface Sci. 26, 62 (1968).
[CrossRef]

Langmuir

D. G. Duff and A. Baiker, Langmuir 9, 2301 (1993).
[CrossRef]

Nat. Biotechnol.

X. Gao, Y. Cui, R. M. Levenson, L. W. Chung, and S. Nie, Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

R. Weissleder, Nat. Biotechnol. 19, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

M. E. Akerman, W. Chan, P. Laakkonen, S. N. Bhatia, and E. Ruoslahti, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12617 (2002).
[CrossRef]

L. R. Hirsch, R. J. Stafford, J. A. Bankson, S. R. Sershen, B. Rivera, R. E. Price, J. D. Hazle, N. J. Halas, and J. L. West, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100, 13549 (2003).
[CrossRef]

Radiology

R. Weissleder and U. Mahmood, Radiology 219, 316 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Science

G. J. Tearney, M. E. Brezinski, B. E. Bouma, S. A. Boppart, C. Pitris, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Science 276, 2037 (1996).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Mie scattering theory predictions of the scattering (black) and absorption (gray) efficiencies for nanoshells with the 120-nm silica core radius and 35-nm-thick shell that were used in this study.

Fig. 2
Fig. 2

(a)–(c) High-magnification dark-field images of HER2-positive SKBr3 breast cancer cells exposed to no nanoshells (left-hand column), anti-IgG-labeled nanoshells (middle column), or anti-HER2-labeled nanoshells (right-hand column). Cross-sectional images were taken at 40 × magnification at the mid-focal plane. (d)–(f) Dark-field images of HER2-positive cells taken at lower magnification ( 10 × ) demonstrating nanoshell targeting and coating of the cell surface.

Fig. 3
Fig. 3

Quantitative analysis of optical contrast owing to HER2-expression. Contrast was quantified by obtaining average histogram intensity values of dark-field images. Contrast data quantified with a HER2-negative MCF7 cell line are shown for comparison purposes. Intensity values range from 0 (black) to 255 (white), with higher values corresponding to greater contrast. Differences in mean scattered intensity between the anti-HER2 group and all other cell groups are statistically significant ( p < 0.05 ) .

Metrics