Για όλους εκείνους τους βιολόγους κυττάρων που είχαν ένα απλό αίτημα-κελιά εξοπλισμένα με μικροσκοπικά ακτίνες λέιζερ - μια ομάδα του Χάρβαρντ το έκανε πραγματικά να συμβεί. Η ικανότητα να κατευθύνετε μικροσκοπικά λέιζερ σε ένα φανταστικό ταξίδι μέσα στο σώμα θα μπορούσε να επιτρέψει μια σειρά ιατρικών εφαρμογών, από την παράδοση φαρμάκων στην παρακολούθηση της ανάπτυξης όγκων.
σχετικό περιεχόμενο
- Για να απαλλαγείτε από το χώρο Junk, πυροβολούν κάτω με λέιζερ
- Τα ηχητικά κύματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην εύρεση υποτιμητικών κυττάρων του καρκίνου
"Ελπίζουμε να χρησιμοποιήσουμε το κύτταρο ως βιολογικό μηχάνημα, προγραμματισμένο από το εσωτερικό του DNA, το οποίο μπορεί να παραδώσει ένα λέιζερ σε έναν στόχο", εξηγεί ο Seok-Hyun (Andy) Yun της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ.
Το φως χρησιμοποιείται για να δει κανείς μέσα στα κύτταρα με όργανα όπως το ενδοκυψέλη ενός κυττάρου, αλλά η χρήση του περιορίστηκε σε πιο προσιτές θέσεις όπως το δέρμα, επειδή το φως του δεν διεισδύει καλά στους βαθύτερους ιστούς. Η προσθήκη φθοριζόντων χρωστικών και πρωτεϊνών στα κύτταρα μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να εντοπίσουν και να τις εξετάσουν περαιτέρω μέσα στο σώμα. Ωστόσο, αυτές οι διαδικασίες παράγουν ένα ευρύ φάσμα εκπομπών, γεγονός που μπορεί να δυσχεράνει την επιλογή συγκεκριμένων κυτταρικών δεδομένων από όλες τις εκπομπές υποβάθρου που παράγονται από μόρια σε βιολογικό ιστό.
Εισαγάγετε τον μικροελάτη, ο οποίος μπορεί να προσφέρει πολύ πιο ακριβή και διαπεραστικό τρόπο εικόνας, παρακολούθησης και ίσως ακόμη και βοήθειας των ζωντανών κυττάρων.
«Θέλουμε να επανεφεύρουμε το λέιζερ για ιατρικές εφαρμογές», λέει ο Yun. "Αντί να δανείζονται τα λέιζερ που έχουν εφεύρει από τη βιομηχανία για διάφορους άλλους λόγους, το έχουμε φτιάξει με ένα βιολογικό υλικό και πολύ μικρό, ώστε να μπορεί να εμφυτευθεί ή να εγχυθεί στο σώμα με λίγα προβλήματα για να κάνει εφαρμογές με βάση το φως όπου σήμερα δεν είναι πρακτικό να παραδίδουμε φως. "
Ένα τυπικό λέιζερ διεγείρει τα άτομα έτσι ώστε να εκπέμπουν φως σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, στη συνέχεια αναπηδάει το φως ανάμεσα σε ένα ζευγάρι καθρεφτών για να ενισχύσει το αποτέλεσμα. Ένας από τους καθρέφτες είναι μερικώς διαφανής, επιτρέποντας να διαφύγει κάποιο φως σε μια στενή δέσμη - αυτό είναι το λέιζερ. Το κλειδί για την κατασκευή ενός λέιζερ μέσα σε μια κυψέλη δημιουργεί έναν οπτικό μικροεπεξεργαστή - μια μικροσκοπική έκδοση αυτής της ρύθμισης που περιορίζει το φως έτσι ώστε να κυκλοφορεί μέσα σε μια μικρή σφαίρα, όπου είναι παγιδευμένη από τη διάθλαση στην επιφάνεια της σφαίρας.
Η ομάδα του Yun το έκανε με δύο διαφορετικούς τρόπους. Μια απαλή εκδοχή έγινε με την έγχυση μιας μικρής σταγόνας λιπών ελαίου ή φυσικών λιπών που αναμειγνύονται με μια φθορίζουσα βαφή σε μια κυψέλη. Μια σκληρή εκδοχή χρησιμοποίησε φθορίζουσες χάντρες πολυστυρενίου αντί. Σε κάθε περίπτωση, ολόκληρο το κύτταρο διεγέρθηκε από έναν παλμό νανοδευτερόλεπτων που παρήγαγε φως, ο οποίος στη συνέχεια παγιδεύτηκε μέσα στη σφαίρα.
"Είναι σαν να βρίσκεστε σε ένα κενό δωμάτιο και μια συγκεκριμένη φωνητική συχνότητα παίρνει συντονισμένη", εξηγεί ο Yun. "Αλλά αν το δωμάτιο είναι συμπιεσμένο, αν το σχήμα και το μέγεθος αλλάξει, η συντονισμένη συχνότητα επίσης να αλλοιωθεί. Κάνουμε το ίδιο πράγμα, κατ 'αρχήν, με την κλίμακα οπτικής συχνότητας. Ορισμένο φως παίρνει συντονισμένο και, καθώς κυκλοφορεί την κοιλότητα, ενισχύεται και τελικά μετατρέπεται σε έξοδο λέιζερ. "
Η ακραία ακρίβεια αυτής της παραγωγής είναι ένα πράγμα που κάνει τα μικροσκοπικά λέιζερ τόσο ελπιδοφόρα. Οι εκδόσεις μαλακών σταγονιδίων αλλάζουν σχήμα ελαφρά όταν είναι υπό τάση και ότι η παραμόρφωση κάνει μια ορατή αλλαγή στο φάσμα εκπομπής του λέιζερ, έτσι ώστε να μπορούν να καταγράφονται λεπτομερώς ακόμη και οι μικρές αλλαγές στο κύτταρο. Ομοίως, η ομάδα μπορεί να παράγει λέιζερ με ελαφρώς διαφορετικά μήκη κύματος αλλάζοντας το μέγεθος των σκληρών χαντρών - επιτρέποντάς τους να χρωματίζουν με μοναδικό τρόπο ένα ξεχωριστό κύτταρο και ενδεχομένως να ετικετοποιούν χιλιάδες διαφορετικά κύτταρα εντός ενός μόνο ιστού, σύμφωνα με την έρευνα που δημοσιεύθηκε αυτή την εβδομάδα στο Nature Photonics .
Μια ομοεστιακή εικόνα ενός μόνο λιπώδους κυττάρου δείχνει ένα μεγάλο σταγονίδιο λιπιδίων (πορτοκαλί) και τον πυρήνα των μικρών κυττάρων (μπλε). Το σταγονίδιο των λιπιδίων μέσα στο κύτταρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φυσικό λέιζερ. (Matjaž Humar και Seok Hyun Yun) 
Μια οπτική ίνα εισάγεται σε ένα κομμάτι του δέρματος του χοίρου για να διεγείρει το φως λέιζερ που παράγεται από τα υποδόρια λιπώδη κύτταρα. (Matjaž Humar και Seok Hyun Yun) 
Μια ομοεστιακή εικόνα δείχνει τα κύτταρα (πράσινα), τους πυρήνες τους (μπλε) και τα εγχυόμενα σταγονίδια ελαίου (κόκκινο) που δρουν ως παραμορφώσιμα λέιζερ μέσα στα κύτταρα. (Matjaž Humar και Seok Hyun Yun) 
Ένας αριθμός κυττάρων που περιέχουν λέιζερ (πράσινο), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να επισημάνουν με μοναδικό τρόπο χιλιάδες κύτταρα. (Matjaž Humar και Seok Hyun Yun) Τα ζωντανά κύτταρα είναι ο ιδανικός μηχανισμός παράδοσης για να πάρουν αυτά τα microlasers όπου μπορούν να κάνουν το καλύτερο. Για παράδειγμα, τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος μπορούν να στοχευθούν για να ανταποκριθούν σε συγκεκριμένα προβλήματα, έτσι ώστε να μπορούν να παραδώσουν ένα λέιζερ για να συνδεθεί με έναν όγκο ή άλλη τοποθεσία ασθένειας. Μόλις εγκατασταθεί, ένα λεπτό λέιζερ μπορεί να εκτελέσει οποιοδήποτε αριθμό εφαρμογών.
"Οι φασματικές κορυφές του λέιζερ είναι πολύ ευαίσθητες στο τοπικό περιβάλλον και μπορείτε να σχεδιάσετε το λέιζερ ώστε να αισθανθούν ορισμένους βιοδείκτες και να αλλάξουν το μήκος κύματος εξόδου όταν αλλάζουν ακόμη και σε μικρές βάρδιες", σημειώνει ο Yun. Αυτό σημαίνει ότι το λέιζερ μπορεί να παρέχει εξαιρετικά λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με τις κυτταρικές επιφάνειες, τις ορμόνες και ακόμη και την παραγωγή πρωτεϊνών του κυττάρου. Τα λέιζερ θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την επισήμανση μεμονωμένων κυττάρων και έτσι να ζωγραφίσουν μια πολύ πιο λεπτομερή εικόνα για το πώς ένα μεγάλο αντικείμενο, όπως ένας όγκος, αλλάζει με την πάροδο του χρόνου.
"Θα μπορούσατε να δείτε ακριβώς πού πηγαίνουν τα επιμέρους κύτταρα στο σώμα, τα οποία μετασταθούν πρόωρα από άλλα και να μελετήσετε την αύξηση της συρρίκνωσης ενός όγκου σε ένα επιμέρους επίπεδο κυττάρων", λέει ο Yun.
Ίσως οι πιο ελπιδοφόρες από όλες τις δυνατότητες είναι όχι μόνο να παρακολουθούν τις πτυχές της ανθρώπινης υγείας αλλά και να τις βελτιώνουν ενεργά, προσθέτει: «Αυτά τα κύτταρα που διαθέτουν λέιζερ θα μπορούσαν επίσης να φορτωθούν με φάρμακα ενεργοποιούμενα με φως και να παραδοθούν σε μια συγκεκριμένη θέση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σκοτώσει έναν όγκο, για παράδειγμα. "
