Для всех тех клеточных биологов, у которых был один простой запрос - клетки, оснащенные миниатюрными чертовыми лазерными лучами, - команда Гарварда фактически осуществила это. Способность направлять крошечные лазеры в фантастическое путешествие по телу может обеспечить целый ряд медицинских применений, от доставки лекарств до отслеживания роста опухоли.
Связанный контент
- Чтобы избавиться от космического мусора, сбить его лазерами
- Звуковые волны могут помочь найти неуловимые раковые клетки
«Мы надеемся использовать клетку в качестве биологической машины, запрограммированной внутренней ДНК, которая может доставить лазер к цели», - объясняет Сек-Хюн (Энди) Юн из Гарвардской медицинской школы.
Свет используется для наблюдения внутри клеток с помощью таких инструментов, как одноклеточный эндоскоп, но его использование ограничено более доступными местами, такими как кожа, потому что его свет плохо проникает в более глубокие ткани. Добавление флуоресцентных красителей и белков в клетки может помочь ученым обнаружить и исследовать их дальше в теле. Но эти процедуры производят широкий спектр излучений, что может затруднить выбор специфических для клеток данных среди всех фоновых излучений, производимых молекулами в биологической ткани.
Введите микролазер, который может обеспечить гораздо более точный и проницательный способ изображения, мониторинга и, возможно, даже помочь живым клеткам.
«Мы хотим изобрести лазер для медицинских применений», - говорит Юнь. «Вместо того, чтобы заимствовать лазеры, которые были изобретены промышленностью по различным другим причинам, мы сделали его из биологического материала, причем очень маленького размера, чтобы его можно было имплантировать или вводить в организм без особых проблем для применения на основе света. где в настоящее время не практично доставлять свет ».
Типичный лазер возбуждает атомы так, что они излучают свет на определенной длине волны, а затем направляет свет между парой зеркал, чтобы усилить эффект. Одно из зеркал частично прозрачное, что позволяет некоторому свету выходить в узком луче - это лазер. Ключом к созданию лазера внутри ячейки является создание оптического микрорезонатора - миниатюрной версии этой установки, которая ограничивает свет так, чтобы он циркулировал внутри небольшой сферы, где он удерживается преломлением на поверхности сферы.
Команда Юна сделала это двумя разными способами. Мягкая версия была сделана путем введения маленькой капли масла или натуральных жировых липидов, смешанных с флуоресцентным красителем, в клетку. В жесткой версии вместо этого использовались флуоресцентные полистирольные шарики. В каждом случае вся клетка возбуждалась наносекундным импульсом, который излучал свет, который затем оказывался в ловушке внутри сферы.
«Это похоже на то, когда вы находитесь в пустой комнате и резонирует определенная частота голоса», - объясняет Юнь. «Но если комната зажата, если форма и размер изменяются, резонансная частота также изменяется. Мы делаем то же самое, в принципе, с оптической частотной шкалой. Определенный свет получает резонанс и, когда он циркулирует в резонаторе, он усиливается и в конечном итоге превращается в выход лазера ».
Чрезвычайная точность этого вывода - это то, что делает крошечные лазеры такими перспективными. Версии с мягкими каплями очень легко изменяют форму, когда находятся под напряжением, и эта деформация вносит видимые изменения в спектр излучения лазера, так что даже мелкие изменения в ячейке могут быть записаны в мелких деталях. Точно так же команда может производить лазеры с немного различной длиной волны, изменяя размер твердых шариков, что позволяет им уникальным образом окрашивать отдельные клетки и, возможно, маркировать тысячи различных клеток в одной ткани, согласно исследованию, опубликованному на этой неделе в Nature Photonics.,
Конфокальное изображение одной жировой клетки показывает большую липидную каплю (оранжевый) и ядро мелкой клетки (синий). Липидная капля внутри клетки может быть использована в качестве естественного лазера. (Матяж Хумар и Сок Хён Юн) 
Оптическое волокно вводится в кусок кожи свиньи, чтобы стимулировать лазерное излучение, генерируемое подкожными жировыми клетками. (Матяж Хумар и Сок Хён Юн) 
Конфокальное изображение показывает клетки (зеленые), их ядра (синие) и введенные капли масла (красные), которые действуют как деформируемые лазеры внутри клеток. (Матяж Хумар и Сок Хён Юн) 
Ряд ячеек, содержащих лазеры (зеленые), которые можно использовать для уникальной метки тысяч ячеек. (Матяж Хумар и Сок Хён Юн) Живые клетки являются идеальным механизмом доставки этих микролазеров, где они могут принести наибольшую пользу. Например, иммунные клетки могут быть нацелены на реагирование на конкретные проблемы, поэтому они могут доставлять лазер для связывания с опухолью или другим местом заболевания. Точно настроенный лазерный луч может выполнять любое количество задач.
«Спектральные пики лазера очень чувствительны к локальной среде, и вы можете сконструировать лазер так, чтобы он чувствовал определенные биомаркеры и изменял длину волны на выходе, когда они меняются даже в крошечные смены», - отмечает Юнь. Это означает, что лазер может доставлять очень подробную информацию о клеточных поверхностях, гормонах и даже выработке белка клеткой. Лазеры также можно использовать для маркировки отдельных клеток и, таким образом, рисовать гораздо более детальную картину того, как более крупный объект, такой как опухоль, изменяется со временем.
«Вы могли точно видеть, куда попадают отдельные клетки в организме, какие из них метастазируют раньше других, и изучать рост усадки опухоли на уровне отдельных клеток», - говорит Юнь.
Возможно, наиболее многообещающим является потенциал не только для мониторинга аспектов здоровья человека, но и для их активного улучшения, добавляет он: «Эти оборудованные лазером клетки также могут быть потенциально загружены активируемыми светом лекарствами и доставлены в определенное место, где они может быть использован, чтобы убить опухоль, например ».
