Per tutti quei biologi cellulari che avevano una semplice richiesta - cellule equipaggiate con fasci laser in miniatura - un team di Harvard l'ha effettivamente realizzato. La capacità di dirigere piccoli laser su un fantastico viaggio all'interno del corpo potrebbe consentire una serie di applicazioni mediche, dalla consegna di farmaci al monitoraggio della crescita tumorale.
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"Speriamo di usare la cellula come una macchina biologica, programmata dal DNA interno, in grado di fornire un laser a un bersaglio", spiega Seok-Hyun (Andy) Yun della Harvard Medical School.
La luce viene utilizzata per vedere le cellule interne con strumenti come l'endoscopio a cella singola, ma il suo uso è stato limitato a posizioni più accessibili come la pelle, perché la sua luce non penetra bene nei tessuti più profondi. L'aggiunta di coloranti e proteine fluorescenti alle cellule può aiutare gli scienziati a individuarli ed esaminarli ulteriormente all'interno del corpo. Ma tali procedure producono un ampio spettro di emissioni, il che può rendere difficile la rilevazione di dati specifici sulle cellule tra tutte le emissioni di fondo prodotte dalle molecole nei tessuti biologici.
Inserisci il microlaser, che può fornire un modo molto più preciso e penetrante per l'immagine, il monitoraggio e forse anche per aiutare le cellule viventi.
"Vogliamo reinventare il laser per applicazioni mediche", afferma Yun. "Invece di prendere in prestito i laser che sono stati inventati dall'industria per vari altri motivi, l'abbiamo realizzato con un materiale biologico e molto piccolo, in modo che possa essere impiantato o iniettato nel corpo con pochi problemi per fare applicazioni basate sulla luce dove attualmente non è pratico fornire luce. "
Un laser tipico eccita gli atomi in modo che emettano luce a una particolare lunghezza d'onda, quindi fa rimbalzare la luce tra una coppia di specchi per amplificare l'effetto. Uno degli specchi è parzialmente trasparente, permettendo alla luce di fuoriuscire in un fascio stretto: questo è il laser. La chiave per costruire un laser all'interno di una cella è la creazione di un microrisonatore ottico, una versione in miniatura di questa configurazione che confina la luce in modo che circoli all'interno di una piccola sfera, dove è intrappolata dalla rifrazione sulla superficie della sfera.
La squadra di Yun ha fatto questo in due modi diversi. Una versione morbida è stata realizzata iniettando una piccola goccia di olio o lipidi grassi naturali mescolati con una tintura fluorescente in una cellula. Una versione dura utilizzava invece sfere di polistirene fluorescente. In ogni caso, l'intera cellula è stata eccitata da un impulso di nanosecondi che ha prodotto luce, che è rimasta intrappolata all'interno della sfera.
"È come quando sei in una stanza vuota e una certa frequenza vocale viene risuonata", spiega Yun. “Ma se la stanza viene compressa, se la forma e le dimensioni cambiano, anche la frequenza di risonanza viene alterata. Facciamo la stessa cosa, in linea di principio, con la scala di frequenza ottica. Una certa luce viene risuonata e, mentre fa circolare la cavità, viene amplificata e alla fine si trasforma in uscita laser. "
L'estrema precisione di quell'output è una cosa che rende i piccoli laser così promettenti. Le versioni con goccioline morbide cambiano forma in modo così leggero quando sotto stress, e quella deformazione fa un cambiamento visibile nello spettro di emissione del laser, in modo che anche minime variazioni nella cella possano essere registrate nei minimi dettagli. Allo stesso modo, il team può produrre laser di lunghezze d'onda leggermente diverse modificando la dimensione delle perle rigide, consentendo loro di codificare in modo univoco una singola cellula e potenzialmente etichettare migliaia di cellule diverse all'interno di un singolo tessuto, secondo la ricerca pubblicata questa settimana su Nature Photonics .
Un'immagine confocale di una singola cellula grassa mostra una grande goccia lipidica (arancione) e il nucleo della piccola cellula (blu). La goccia lipidica all'interno della cellula può essere utilizzata come laser naturale. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) 
Una fibra ottica viene inserita in un pezzo di pelle di maiale per stimolare la luce laser generata dalle cellule adipose sottocutanee. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) 
Un'immagine confocale mostra le cellule (verde), i loro nuclei (blu) e le goccioline di olio iniettate (rosso) che agiscono come laser deformabili all'interno delle cellule. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) 
Un numero di celle contenenti laser (verde), che possono essere utilizzate per contrassegnare in modo univoco migliaia di celle. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) Le cellule viventi sono il meccanismo di consegna ideale per portare questi microlaser dove possono fare il meglio. Ad esempio, le cellule immunitarie possono essere mirate a rispondere a problemi specifici, in modo da poter erogare un laser per legarsi con un tumore o altra posizione della malattia. Una volta installata, una luce laser finemente sintonizzata può eseguire un numero qualsiasi di applicazioni.
"I picchi spettrali del laser sono molto sensibili all'ambiente locale e puoi progettare il laser in modo che rilevi determinati biomarcatori e cambi la lunghezza d'onda di uscita quando cambiano anche in piccoli spostamenti", osserva Yun. Ciò significa che il laser può fornire informazioni altamente dettagliate su superfici cellulari, ormoni e persino sulla produzione di proteine cellulari. I laser potrebbero anche essere usati per etichettare singole cellule e quindi dipingere un quadro molto più dettagliato di come un oggetto più grande, come un tumore, cambia nel tempo.
"Potresti vedere esattamente dove vanno le singole cellule nel corpo, quali metastatizzano prima di altre, e studiare la crescita del restringimento di un tumore a livello di singola cellula", afferma Yun.
Forse il più promettente di tutti è il potenziale non solo di monitorare gli aspetti della salute umana, ma anche di migliorarli attivamente, aggiunge: “Queste cellule equipaggiate con laser potrebbero anche essere potenzialmente caricate con farmaci attivati dalla luce e consegnate in un luogo specifico, dove potrebbe essere usato per uccidere un tumore, per esempio. "
