For alle de cellebiologer, der havde en enkel anmodning - celler udstyret med miniature frickin 'laserstråler - har et Harvard-team faktisk fået det til at ske. Evnen til at dirigere små lasere på en fantastisk rejse inde i kroppen kan muliggøre en række medicinske applikationer, fra levering af medicin til sporing af tumorvækst.
Relateret indhold
- For at slippe af med pladsrum, skal du skyde det ned med lasere
- Lydbølger kunne hjælpe med at finde undvikende kræftceller
”Vi håber at bruge cellen som en biologisk maskine, der er programmeret af DNA'et inde, der kan levere en laser til et mål, ” forklarer Seok-Hyun (Andy) Yun fra Harvard Medical School.
Lys bruges til at se inde i celler med instrumenter som encelle-endoskopet, men dets anvendelse er blevet begrænset til mere tilgængelige steder som huden, fordi dens lys ikke trænger godt ind i dybere væv. Tilsætning af fluorescerende farvestoffer og proteiner til celler kan hjælpe forskere med at få øje på og undersøge dem længere inde i kroppen. Men disse procedurer producerer et bredt spektrum af emissioner, hvilket kan gøre det vanskeligt at udvælge cellespecifikke data blandt alle baggrundsemissioner produceret af molekyler i biologisk væv.
Gå ind i mikrolaseren, som muligvis giver en langt mere præcis og gennemtrængende måde at billede, overvåge og måske endda hjælpe levende celler.
”Vi vil genopfinde laseren til medicinske applikationer, ” siger Yun. ”I stedet for at låne de lasere, der er opfundet af industrien af forskellige andre grunde, har vi lavet det med et biologisk materiale, og meget lille, så det kan implanteres eller indsprøjtes i kroppen med få problemer til at gøre lysbaserede applikationer hvor det i øjeblikket ikke er praktisk at levere lys. ”
En typisk laser exciterer atomer, så de udsender lys i en bestemt bølgelængde og derefter spretter lyset mellem et par spejle for at forstærke effekten. Et af spejlerne er delvis gennemsigtig, så nogle lys kan undslippe i en smal stråle - det er laseren. Nøglen til at opbygge en laser inde i en celle er at skabe en optisk mikroresonator - en miniatyrversion af denne opsætning, der begrænser lys, så den cirkulerer inde i en lille kugle, hvor den er fanget af brydning på kuglens overflade.
Yuns team gjorde dette på to forskellige måder. En blød version blev fremstillet ved at injicere en lille dråbe olie eller naturlige fedtlipider blandet med et fluorescerende farvestof i en celle. En hård version anvendte i stedet fluorescerende polystyrenperler. I begge tilfælde blev hele cellen ophidset af en nanosekundpuls, der producerede lys, som derefter blev fanget inde i sfæren.
”Det er som når du er i et tomt rum og en bestemt stemmefrekvens bliver genklang, ” forklarer Yun. ”Men hvis rummet er klemt, hvis formen og størrelsen ændres, ændres resonansfrekvensen også. Vi gør det samme i princippet med den optiske frekvensskala. Visst lys bliver resoneret, og når det cirkulerer hulrummet, bliver det forstærket og til sidst forvandles til laserudgangen. ”
Den ekstreme præcision af dette output er en ting, der gør de små lasere så lovende. De bløde dråbeversioner skifter form nogensinde så let, når de er under stress, og at deformation gør en synlig ændring i laserens emissionspektrum, så selv små ændringer i cellen kan registreres i detaljer. Tilsvarende kan teamet producere lasere med lidt forskellige bølgelængder ved at ændre størrelsen på de hårde perler - hvilket gør dem i stand til unikt at farvekode en individuel celle og potentielt mærke tusinder af forskellige celler inden for et enkelt væv, ifølge forskningen, der blev offentliggjort denne uge i Nature Photonics .
Et konfokalt billede af en enkelt fedtcelle viser en stor lipiddråbe (orange) og den lille cellekernen (blå). Lipiddråbet i cellen kan bruges som en naturlig laser. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) 
En optisk fiber indsættes i et stykke svinehud for at stimulere laserlyset genereret af de subkutane fedtceller. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) 
Et konfokalt billede viser celler (grøn), deres kerner (blå) og de indsprøjtede oliedråber (rød), der fungerer som deformerbare lasere i cellerne. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) 
Et antal celler, der indeholder lasere (grøn), som kan bruges til unikt at mærke tusinder af celler. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) Levende celler er den ideelle leveringsmekanisme til at få disse mikrolasere, hvor de kan gøre det mest godt. F.eks. Kan immunceller målrettes til at reagere på specifikke problemer, så de kan levere en laser til at binde til en tumor eller anden sygdomslokation. Når det var på plads, kunne et fint indstillet laserlys udføre et vilkårligt antal applikationer.
"Laserens spektrale toppe er meget følsomme over for det lokale miljø, og du kan designe laseren, så den registrerer visse biomarkører og ændrer outputbølgelængden, når de ændres, selv i små skift, " bemærker Yun. Dette betyder, at laseren kan levere meget detaljerede oplysninger om celleoverflader, hormoner og endda cellens proteinproduktion. Laserne kunne også bruges til at mærke individuelle celler og dermed male et langt mere detaljeret billede af, hvordan et større objekt, som en tumor, ændrer sig over tid.
"Du kunne se nøjagtigt, hvor de enkelte celler går i kroppen, hvilke celler der metastaserer tidligere end andre, og studere væksten af svind i en tumor på det individuelle celleniveau, " siger Yun.
Det måske mest lovende af alt er potentialet til ikke kun at overvåge aspekter af menneskers sundhed, men til aktivt at forbedre dem, tilføjer han: ”Disse laserudstyrede celler kunne også potentielt blive fyldt med lysaktiverede lægemidler og leveret til et specifikt sted, hvor de kan bruges til at dræbe en tumor for eksempel. ”
