For alle de cellebiologene som hadde en enkel forespørsel - celler utstyrt med miniatyr-frickin 'laserstråler - har et Harvard-team faktisk fått det til å skje. Evnen til å dirigere ørsmå lasere på en fantastisk seilas i kroppen kan muliggjøre en rekke medisinske applikasjoner, fra å levere medisiner til å spore tumorvekst.
Relatert innhold
- For å bli kvitt Space Junk, skyter du det ned med lasere
- Lydbølger kan hjelpe med å finne unnvikende kreftceller
"Vi håper å kunne bruke cellen som en biologisk maskin, programmert av DNAet inne, som kan levere en laser til et mål, " forklarer Seok-Hyun (Andy) Yun fra Harvard Medical School.
Lys brukes til å se inne i celler med instrumenter som encellet endoskop, men bruken har vært begrenset til mer tilgjengelige steder som huden, fordi lyset ikke trenger godt inn i dypere vev. Å legge fluorescerende fargestoffer og proteiner til celler kan hjelpe forskere å oppdage og undersøke dem lenger inne i kroppen. Men disse prosedyrene gir et bredt spekter av utslipp, noe som kan gjøre det vanskelig å plukke ut cellespesifikke data fra alle bakgrunnsutslipp produsert av molekyler i biologisk vev.
Gå inn i mikrolaseren, som kan gi en langt mer presis og gjennomtrengende måte å avbilde, overvåke og kanskje til og med hjelpe levende celler.
"Vi ønsker å finne opp laseren på nytt for medisinsk bruk, " sier Yun. I stedet for å låne lasere som er blitt oppfunnet av industrien av forskjellige andre grunner, har vi laget det med et biologisk materiale, og veldig lite, så det kan implanteres eller injiseres i kroppen med få problemer for å gjøre lysbaserte applikasjoner der det foreløpig ikke er praktisk å levere lys. ”
En typisk laser begeistrer atomer slik at de avgir lys i en bestemt bølgelengde, og deretter spretter lyset mellom et par speil for å forsterke effekten. Et av speilene er delvis gjennomsiktig, slik at litt lys kan slippe ut i en smal stråle - det er laseren. Nøkkelen til å bygge en laser inne i en celle er å lage en optisk mikroresonator - en miniatyrversjon av dette oppsettet som begrenser lys slik at det sirkulerer inne i en liten sfære, hvor den blir fanget av brytning på sfærens overflate.
Yuns team gjorde dette på to forskjellige måter. En myk versjon ble laget ved å injisere en liten dråpe olje eller naturlige fettlipider blandet med et lysstofffarge i en celle. En hard versjon brukte fluoriserende polystyrenperler i stedet. I begge tilfeller ble hele cellen begeistret av en nanosekundpuls som produserte lys, som deretter ble fanget inne i sfæren.
"Det er som når du er i et tomt rom og en viss stemmefrekvens blir resonert, " forklarer Yun. “Men hvis rommet klemmes, hvis formen og størrelsen endres, endres også resonansfrekvensen. Vi gjør det samme i prinsippet med den optiske frekvensskalaen. Visst lys blir resonert, og når det sirkulerer hulrommet, blir det forsterket og blir til slutt til laserutgangen. ”
Den ekstreme presisjonen for den produksjonen er en ting som gjør de ørsmå laserne så lovende. De myke dråpeversjonene skifter formen så lett når de er under stress, og at deformasjon gjør en synlig endring i laserens emisjonsspekter, slik at selv små endringer i cellen kan registreres i detaljer. På samme måte kan teamet produsere lasere med litt forskjellige bølgelengder ved å endre størrelsen på de harde perlene - slik at de kan unikt fargekode en individuell celle og potensielt merke tusenvis av forskjellige celler i et enkelt vev, ifølge forskningen publisert denne uken i Nature Photonics .
Et konfokalt bilde av en enkelt fettcelle viser en stor lipiddråpe (oransje) og den lille cellekjernen (blå). Lipiddråpen i cellen kan brukes som en naturlig laser. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) 
En optisk fiber settes inn i et stykke griseskinn for å stimulere laserlyset som genereres av de subkutane fettcellene. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) 
Et konfokalt bilde viser celler (grønn), deres kjerner (blå) og de injiserte oljedråpene (røde) som fungerer som deformerbare lasere i cellene. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) 
Et antall celler som inneholder lasere (grønt), som kan brukes til å unikt merke tusenvis av celler. (Matjaž Humar og Seok Hyun Yun) Levende celler er den ideelle leveringsmekanismen for å få disse mikrolaserne der de kan gjøre det beste. For eksempel kan immunceller målrettes for å svare på spesifikke problemer, slik at de kan levere en laser for å binde seg til en svulst eller et annet sykdomslokalitet. Når den er på plass, kan et fint innstilt laserlys utføre et stort antall applikasjoner.
"Spektraltoppene på laseren er veldig følsomme for nærmiljøet, og du kan designe laseren slik at den registrerer visse biomarkører og endrer utgangsbølgelengden når de endres selv i små skift, " bemerker Yun. Dette betyr at laseren kan levere svært detaljert informasjon om celleoverflater, hormoner og til og med cellens proteinproduksjon. Laserne kan også brukes til å merke individuelle celler og dermed male et langt mer detaljert bilde av hvordan en større gjenstand, som en svulst, endrer seg over tid.
"Du kan se nøyaktig hvor de enkelte cellene går i kroppen, hvilke som metastaserer tidligere enn andre, og studere veksten av svinn av en svulst på det individuelle cellenivået, " sier Yun.
Kanskje det mest lovende av alt er potensialet til ikke bare å overvåke aspekter ved menneskers helse, men til å forbedre dem aktivt, legger han til: "Disse laserutstyrte cellene kan også potensielt være lastet med lysaktiverte medisiner og levert til et bestemt sted, hvor de kan brukes til å drepe en svulst, for eksempel.
