MEDLINE/PubMed Journal Browser Search

Pubmed for Handhelds

PUBMED FOR HANDHELDS

Search MEDLINE/PubMed

Title: Chemically characterizing the cortical cell nano-structure of human hair using atomic force microscopy integrated with infrared spectroscopy (AFM-IR).
Author: Fellows AP, Casford MTL, Davies PB.
Journal: Int J Cosmet Sci; 2022 Feb; 44(1):42-55. PubMed ID: 34820858.
Abstract:
OBJECTIVE: The use of conventional microscopy and vibrational spectroscopy in the optical region to investigate the chemical nature of hair fibres on a nanometre scale is frustrated by the diffraction limit of light, prohibiting the spectral elucidation of nanoscale sub-structures that contribute to the bulk properties of hair. The aim of this work was to overcome this limitation and gain unprecedented chemical resolution of cortical cell nano-structure of hair. METHODS: The hybrid technique of AFM-IR, combining atomic force microscopy with an IR laser, circumvents the diffraction limit of light and achieves nanoscale chemical resolution down to the AFM tip radius. In this work, AFM-IR was employed on ultra-thin microtomed cross-sections of human hair fibres to spectrally distinguish and characterize the specific protein structures and environments within the nanoscale components of cortical cells. RESULTS: At first, a topographical and chemical distinction between the macrofibrils and the surrounding intermacrofibillar matrix was achieved based on 2.5 × 2.5 μm maps of cortical cell cross-sections. It was found that the intermacrofibrillar matrix has a large protein content and specific cysteine-related residues, whereas the macrofibrils showed bigger contributions from aliphatic amino acid residues and acidic-/ester-containing species (e.g. lipids). Localized spectra recorded at a spatial resolution of the order of the AFM tip radius enabled the chemical composition of each region to be determined following deconvolution of the Amide-I and Amide-II bands. This provided specific evidence for a greater proportion of α-helices in the macrofibrils and correspondingly larger contributions of β-sheet secondary structures in the intermacrofibrillar matrix, as inferred in earlier studies. Analysis of the parallel and antiparallel β-sheet structures, and of selected dominant amino acid residues, yielded further novel composition and conformation results for both regions. CONCLUSION: In this work, we overcome the diffraction limit of light using atomic force microscopy integrated with IR laser spectroscopy (AFM-IR) to characterize sub-micron features of the hair cortex at ultra-high spatial resolution. The resulting spectral analysis shows clear distinctions in the Amide bands in the macrofibrils and surrounding intermacrofibrillar matrix, yielding novel insight into the molecular structure and intermolecular stabilization interactions of the constituent proteins within each cortical component. OBJECTIF: L’utilisation de la microscopie conventionnelle et de la spectroscopie vibratoire dans la région optique pour étudier la nature chimique des fibres capillaires à l’échelle nanométrique est limitée par la limite de diffraction de la lumière, interdisant l’élucidation spectrale des sous-structures à l’échelle nanométrique qui contribuent aux propriétés des cheveux en général. L’objectif de ce travail était de surmonter cette limitation et d’obtenir une résolution chimique sans précédent de la nanostructure cellulaire corticale des cheveux. MÉTHODES: La technique hybride de l’AFM-IR, combinant la microscopie à force atomique avec un laser IR, contourne la limite de diffraction de la lumière et permet d’obtenir une résolution chimique à l’échelle nanométrique jusqu’au rayon de l’extrémité de l’AFM. Dans ce travail, l’AFM-IR a été employée sur des coupes transversales microtomes ultrafines de fibres de cheveux humains pour distinguer et caractériser sur le plan spectral les structures et environnements protéiques spécifiques au sein des composants à l’échelle nanométrique des cellules corticales. RÉSULTATS: Tout d’abord, une distinction topographique et chimique entre les macrofibrilles et la matrice intermacrofibrillaire environnante a été obtenue à partir de cartes de 2,5 × 2,5 micromètres des coupes transversales des cellules corticales. Il a été constaté que la matrice intermacrofibrillaire avait une grande teneur en protéines et des résidus spécifiques liés à la cystéine, tandis que les macrofibrilles présentaient des contributions plus importantes provenant de résidus d’acides aminés aliphatiques et d’espèces acides/contenant des esters (p. ex. lipides). Les spectres localisés enregistrés à une résolution spatiale de l’ordre du rayon de l’extrémité AFM ont permis de déterminer la composition chimique de chaque région suite à la déconvolution des bandes Amide-I et Amide-II. Cela a apporté des preuves spécifiques pour une plus grande proportion des hélices alpha des macrofibrilles, de même que des contributions plus importantes des structures secondaires à feuillet bêta dans la matrice intermacrofibrillaire, déduites dans des études antérieures. L’analyse des structures parallèles et antiparallèles des feuillets bêta, et des résidus d’acides aminés dominants sélectionnés a donné des résultats inédits de composition et de conformation pour les deux régions. CONCLUSION: Dans ce travail, nous avons surmonté la limite de diffraction de la lumière en utilisant la microscopie à force atomique intégrée à la spectroscopie laser IR (IR-AFM) pour caractériser les caractéristiques submicroniques du cortex capillaire à une résolution spatiale ultra-élevée. L’analyse spectrale qui en résulte montre des distinctions nettes dans les bandes d’amide dans les macrofibrilles et la matrice intermacrofibrillaire environnante, ce qui apporte un éclairage nouveau sur la structure moléculaire et les interactions de stabilisation intermoléculaire des protéines constitutives dans chaque composant cortical.

[Abstract] [Full Text] [Related] [New Search]