Für all jene Zellbiologen, die eine einfache Anfrage hatten - Zellen, die mit Miniatur-Fricking-Laserstrahlen ausgestattet waren - hat ein Harvard-Team dies tatsächlich möglich gemacht. Die Fähigkeit, winzige Laser auf eine fantastische Reise innerhalb des Körpers zu lenken, könnte eine Reihe medizinischer Anwendungen ermöglichen, von der Abgabe von Medikamenten bis zur Verfolgung des Tumorwachstums.
Verwandte Inhalte
- Um den Weltraumschrott loszuwerden, schießen Sie ihn mit Lasern ab
- Schallwellen könnten helfen, schwer fassbare Krebszellen zu finden
„Wir hoffen, die Zelle als biologische Maschine zu nutzen, die von der DNA im Inneren programmiert wird und einen Laser an ein Ziel liefert“, erklärt Seok-Hyun (Andy) Yun von der Harvard Medical School.
Licht wird verwendet, um in Zellen mit Instrumenten wie dem Einzelzellen-Endoskop zu sehen, aber seine Verwendung war auf besser zugängliche Stellen wie die Haut beschränkt, da sein Licht nicht gut in tieferes Gewebe eindringt. Das Hinzufügen von fluoreszierenden Farbstoffen und Proteinen zu Zellen kann Wissenschaftlern helfen, diese im Körper zu erkennen und weiter zu untersuchen. Diese Verfahren erzeugen jedoch ein breites Spektrum an Emissionen, was es schwierig machen kann, zellspezifische Daten aus allen Hintergrundemissionen von Molekülen in biologischem Gewebe herauszusuchen.
Betreten Sie den Mikrolaser, der möglicherweise eine präzisere und durchdringendere Möglichkeit bietet, lebende Zellen abzubilden, zu überwachen und vielleicht sogar zu unterstützen.
"Wir wollen den Laser für medizinische Anwendungen neu erfinden", sagt Yun. „Anstatt die von der Industrie aus verschiedenen anderen Gründen erfundenen Laser auszuleihen, haben wir sie mit einem biologischen Material hergestellt, das sehr klein ist, sodass sie mit wenigen Problemen für lichtbasierte Anwendungen in den Körper implantiert oder injiziert werden können wo es derzeit nicht praktikabel ist, Licht zu liefern. “
Ein typischer Laser regt Atome so an, dass sie Licht mit einer bestimmten Wellenlänge emittieren, und reflektiert dann das Licht zwischen zwei Spiegeln, um den Effekt zu verstärken. Einer der Spiegel ist teilweise transparent, sodass etwas Licht in einem engen Strahl entweichen kann - das ist der Laser. Der Schlüssel zum Aufbau eines Lasers in einer Zelle liegt in der Schaffung eines optischen Mikroresonators - einer Miniaturversion dieses Aufbaus, der das Licht so einschließt, dass es in einer kleinen Kugel zirkuliert und dort durch Brechung an der Kugeloberfläche eingefangen wird.
Yuns Team tat dies auf zwei verschiedene Arten. Eine weiche Version wurde hergestellt, indem ein kleiner Tropfen Öl oder natürliches Fettlipid, vermischt mit einem fluoreszierenden Farbstoff, in eine Zelle injiziert wurde. Eine harte Version verwendete stattdessen fluoreszierende Polystyrolperlen. In jedem Fall wurde die gesamte Zelle durch einen Nanosekundenpuls erregt, der Licht erzeugte, das dann in der Kugel gefangen wurde.
"Es ist wie in einem leeren Raum, in dem eine bestimmte Sprachfrequenz erklingt", erklärt Yun. „Aber wenn der Raum gequetscht wird, wenn sich Form und Größe ändern, ändert sich auch die Resonanzfrequenz. Im Prinzip machen wir dasselbe mit der optischen Frequenzskala. Bestimmtes Licht wird in Resonanz gebracht und während es den Hohlraum umläuft, verstärkt es sich und wird schließlich zur Laserleistung. “
Die extreme Präzision dieser Ausgabe ist eine Sache, die die winzigen Laser so vielversprechend macht. Die Versionen mit weichen Tröpfchen verändern ihre Form unter Belastung sehr leicht und diese Verformung bewirkt eine sichtbare Änderung des Emissionsspektrums des Lasers, so dass selbst kleinste Änderungen in der Zelle detailliert aufgezeichnet werden können. In ähnlicher Weise kann das Team Laser mit geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen herstellen, indem es die Größe der harten Kügelchen ändert. Auf diese Weise können sie eine einzelne Zelle eindeutig farbkodieren und möglicherweise Tausende verschiedener Zellen in einem einzelnen Gewebe markieren, so die in Nature Photonics in dieser Woche veröffentlichte Studie .
Ein konfokales Bild einer einzelnen Fettzelle zeigt einen großen Lipidtropfen (orange) und den kleinen Zellkern (blau). Das Lipidtröpfchen in der Zelle kann als natürlicher Laser verwendet werden. (Matjaž Humar und Seok Hyun Yun) 
Eine optische Faser wird in ein Stück Schweinehaut eingeführt, um das von den subkutanen Fettzellen erzeugte Laserlicht zu stimulieren. (Matjaž Humar und Seok Hyun Yun) 
Ein konfokales Bild zeigt Zellen (grün), ihre Kerne (blau) und die injizierten Öltröpfchen (rot), die als deformierbare Laser in den Zellen wirken. (Matjaž Humar und Seok Hyun Yun) 
Eine Anzahl von Zellen, die Laser enthalten (grün), mit denen Tausende von Zellen eindeutig markiert werden können. (Matjaž Humar und Seok Hyun Yun) Lebende Zellen sind der ideale Zuführungsmechanismus, um diese Mikrolaser dort einzusetzen, wo sie am besten funktionieren. Beispielsweise können Immunzellen gezielt auf bestimmte Probleme reagieren, sodass sie einen Laser liefern können, um sich an einen Tumor oder eine andere Krankheitsstelle zu binden. Einmal eingesetzt, kann ein fein abgestimmtes Laserlicht eine beliebige Anzahl von Anwendungen ausführen.
„Die spektralen Peaks des Lasers sind sehr empfindlich für die lokale Umgebung, und Sie können den Laser so gestalten, dass er bestimmte Biomarker erkennt und die Ausgangswellenlänge ändert, wenn sie sich auch in winzigen Verschiebungen ändern“, bemerkt Yun. Dies bedeutet, dass der Laser sehr detaillierte Informationen über Zelloberflächen, Hormone und sogar die Proteinproduktion der Zelle liefern kann. Die Laser könnten auch verwendet werden, um einzelne Zellen zu markieren und so ein weitaus detaillierteres Bild davon zu zeichnen, wie sich ein größeres Objekt wie ein Tumor im Laufe der Zeit verändert.
"Man konnte genau sehen, wohin die einzelnen Zellen im Körper wandern, die früher metastasieren als andere, und das Wachstum der Tumorschrumpfung auf der Ebene der einzelnen Zellen untersuchen", sagt Yun.
Am vielversprechendsten sei das Potenzial, Aspekte der menschlichen Gesundheit nicht nur zu überwachen, sondern aktiv zu verbessern: „Diese mit Laser ausgestatteten Zellen könnten möglicherweise auch mit lichtaktivierten Medikamenten beladen und an einen bestimmten Ort geliefert werden, an dem sie sich befinden könnte zum Beispiel verwendet werden, um einen Tumor abzutöten. “
