Voor al die celbiologen die één eenvoudig verzoek hadden - cellen uitgerust met miniatuur frickin 'laserstralen - heeft een Harvard-team het waargemaakt. De mogelijkheid om kleine lasers op een fantastische reis in het lichaam te richten, kan een reeks medische toepassingen mogelijk maken, van het leveren van medicijnen tot het volgen van tumorgroei.
gerelateerde inhoud
- Om ruimteafval kwijt te raken, schiet je het neer met lasers
- Geluidsgolven kunnen helpen ongrijpbare kankercellen te vinden
"We hopen de cel te gebruiken als een biologische machine, geprogrammeerd door het DNA binnenin, dat een laser kan afleveren aan een doelwit", legt Seok-Hyun (Andy) Yun van Harvard Medical School uit.
Licht wordt gebruikt om in cellen te kijken met instrumenten zoals de eencellige endoscoop, maar het gebruik ervan is beperkt tot meer toegankelijke locaties zoals de huid, omdat het licht niet goed doordringt in dieper weefsel. Door fluorescerende kleurstoffen en eiwitten aan cellen toe te voegen, kunnen wetenschappers deze verder in het lichaam herkennen en onderzoeken. Maar die procedures produceren een breed spectrum van emissies, waardoor het moeilijk kan zijn om celspecifieke gegevens te kiezen uit alle achtergrondemissies die worden geproduceerd door moleculen in biologisch weefsel.
Ga de microlaser binnen, wat een veel preciezere en indringende manier kan zijn om levende cellen te visualiseren, monitoren en misschien zelfs te helpen.
"We willen de laser opnieuw uitvinden voor medische toepassingen", zegt Yun. “In plaats van de lasers te lenen die door de industrie om verschillende andere redenen zijn uitgevonden, hebben we het gemaakt met biologisch materiaal, en heel klein, zodat het met weinig problemen in het lichaam kan worden geïmplanteerd of geïnjecteerd om op licht gebaseerde toepassingen te doen waar het momenteel niet praktisch is om licht te leveren. "
Een typische laser exciteert atomen zodat ze licht op een bepaalde golflengte uitzenden en vervolgens het licht tussen een paar spiegels stuiteren om het effect te versterken. Een van de spiegels is gedeeltelijk transparant, waardoor wat licht kan ontsnappen in een smalle straal - dat is de laser. De sleutel tot het bouwen van een laser in een cel is het creëren van een optische microresonator - een miniatuurversie van deze opstelling die licht beperkt zodat het in een kleine bol circuleert, waar het wordt gevangen door breking aan het oppervlak van de bol.
Het team van Yun deed dit op twee verschillende manieren. Een zachte versie werd gemaakt door een kleine druppel olie of natuurlijke vetlipiden gemengd met een fluorescerende kleurstof in een cel te injecteren. Een harde versie gebruikte in plaats daarvan fluorescerende polystyreen kralen. In elk geval werd de hele cel opgewonden door een nanosecondepuls die licht produceerde, dat vervolgens vast kwam te zitten in de bol.
"Het is alsof je in een lege ruimte bent en een bepaalde stemfrequentie resoneert, " legt Yun uit. “Maar als de kamer wordt samengedrukt, als de vorm en grootte verandert, wordt ook de resonantiefrequentie gewijzigd. We doen in principe hetzelfde met de optische frequentieschaal. Bepaald licht resoneert en, terwijl het de holte circuleert, wordt het versterkt en verandert het uiteindelijk in de laseruitvoer. "
De extreme precisie van die output is een ding dat de kleine lasers zo veelbelovend maakt. De versies met zachte druppeltjes veranderen de vorm heel licht bij stress, en die vervorming zorgt voor een zichtbare verandering in het emissiespectrum van de laser, zodat zelfs kleine veranderingen in de cel tot in detail kunnen worden vastgelegd. Op dezelfde manier kan het team lasers met iets verschillende golflengten produceren door de grootte van de harde kralen te veranderen - waardoor ze een unieke cel uniek kunnen coderen en mogelijk duizenden verschillende cellen in een enkel weefsel kunnen labelen, volgens het onderzoek dat deze week in Nature Photonics is gepubliceerd .
Een confocaal beeld van een enkele vetcel toont een grote lipidedruppel (oranje) en de kleine celkern (blauw). De lipidedruppel in de cel kan worden gebruikt als een natuurlijke laser. (Matjaž Humar en Seok Hyun Yun) 
Een optische vezel wordt ingebracht in een stuk varkenshuid om het laserlicht te stimuleren dat wordt gegenereerd door de onderhuidse vetcellen. (Matjaž Humar en Seok Hyun Yun) 
Een confocaal beeld toont cellen (groen), hun kernen (blauw) en de geïnjecteerde oliedruppeltjes (rood) die werken als vervormbare lasers in de cellen. (Matjaž Humar en Seok Hyun Yun) 
Een aantal cellen met lasers (groen), waarmee duizenden cellen op unieke wijze kunnen worden gelabeld. (Matjaž Humar en Seok Hyun Yun) Levende cellen zijn het ideale afgiftemechanisme om deze microlasers te krijgen waar ze het meest goed kunnen doen. Immunocellen kunnen bijvoorbeeld worden gericht om te reageren op specifieke problemen, zodat ze een laser kunnen afleveren om zich te binden aan een tumor of een andere ziektelocatie. Eenmaal op zijn plaats kan een fijn afgestemd laserlicht een groot aantal toepassingen uitvoeren.
"De spectrale pieken van de laser zijn erg gevoelig voor de lokale omgeving, en je kunt de laser zo ontwerpen dat deze bepaalde biomarkers detecteert en de outputgolflengte verandert wanneer ze veranderen, zelfs in kleine verschuivingen, " merkt Yun op. Dit betekent dat de laser zeer gedetailleerde informatie kan leveren over celoppervlakken, hormonen en zelfs de eiwitproductie van de cel. De lasers kunnen ook worden gebruikt om afzonderlijke cellen te taggen en zo een veel gedetailleerder beeld te schetsen van hoe een groter object, zoals een tumor, in de loop van de tijd verandert.
"Je kon precies zien waar de individuele cellen in het lichaam gaan, welke cellen eerder uitzaaien dan andere, en de groei van krimp van een tumor op individueel celniveau bestuderen, " zegt Yun.
Misschien wel het meest veelbelovend van allemaal is het potentieel om niet alleen aspecten van de menselijke gezondheid te monitoren, maar om deze actief te verbeteren, voegt hij eraan toe: “Deze met laser uitgeruste cellen kunnen mogelijk ook worden geladen met licht-geactiveerde medicijnen en worden afgeleverd op een specifieke locatie, waar ze kan bijvoorbeeld worden gebruikt om een tumor te doden. '
