Als de ingenieurs van Stanford hun zin krijgen, biologisch onderzoek kan binnenkort worden getransformeerd door een nieuwe klasse van lichtemitterende sondes die klein genoeg zijn om in individuele cellen te worden geïnjecteerd zonder de gastheer te schaden. Welkom bij biofotonica, een discipline op het snijvlak van techniek, biologie en geneeskunde waarin op licht gebaseerde apparaten - lasers en light-emitting diodes (LED's) - nieuwe wegen openen in de studie en invloed van levende cellen.

Het team beschreef hun onderzoek in een paper dat op 13 februari online werd gepubliceerd door het tijdschrift Nano-letters . Het is de eerste studie die aantoont dat geavanceerde, gemanipuleerde lichtresonatoren in cellen kunnen worden ingebracht zonder de cel te beschadigen. Zelfs met een ingebouwde resonator, een cel kan functioneren, migreren en reproduceren zoals normaal.

Toepassingen en implicaties

De onderzoekers noemen hun apparaat een "nanostraal, " omdat het lijkt op een stalen I-balk met een reeks ronde gaten die door het midden zijn geëtst. Deze balken, echter, zijn niet massief, maar meet slechts een paar micron lang en slechts een paar honderd nanometer breed en dik. Het lijkt een beetje op een stuk uit een oude montageset. De gaten door de balken werken als een spiegelzaal op nanoschaal, het focussen en versterken van licht in het midden van de bundel in zogenaamde fotonische holtes. Dit zijn de bouwstenen voor lasers en leds op nanoschaal.

"Apparaten zoals de fotonische holtes die we hebben gebouwd, zijn misschien wel de meest diverse en aanpasbare ingrediënten in fotonica, " zei de senior auteur van de krant, Jelena Vuckovic, hoogleraar elektrotechniek. "Toepassingen strekken zich uit van fundamentele fysica tot nanolasers en biosensoren die een grote impact kunnen hebben op biologisch onderzoek."

Op cellulair niveau, een nanostraal werkt als een naald die zonder letsel door celwanden kan dringen. Eenmaal ingevoegd, de straal straalt licht uit, wat een opmerkelijke reeks onderzoekstoepassingen en implicaties oplevert. Terwijl andere groepen hebben aangetoond dat het mogelijk is om eenvoudige nanobuisjes en elektrische nanodraden in cellen in te brengen, nog niemand had zulke gecompliceerde optische componenten in biologische cellen gerealiseerd.

"We denken dat dit een behoorlijk dramatische verschuiving is ten opzichte van bestaande toepassingen en uitgebreide mogelijkheden biedt voor het begrijpen en beïnvloeden van cellulaire biologie, " zei de eerste auteur van de krant, Gary Shambat, een promovendus in de elektrotechniek. Shambat werkt bij het Nanoscale en Quantum Photonics Lab onder leiding van Vuckovic.

IJzer tot een magneet

In dit geval, de bestudeerde cellen kwamen van een prostaattumor, met vermelding van mogelijke toepassing van de sonde in kankeronderzoek. Het primaire en meest directe gebruik zou zijn in de real-time detectie van specifieke eiwitten in de cellen, maar de sonde zou kunnen worden aangepast om alle belangrijke biomoleculen zoals DNA of RNA te detecteren.

Om deze sleutelmoleculen te detecteren, onderzoekers bedekken de sonde met bepaalde organische moleculen of antilichamen waarvan bekend is dat ze de doeleiwitten aantrekken, net als ijzer voor een magneet. Als de gewenste eiwitten in de cel aanwezig zijn, ze beginnen zich op de sonde op te hopen en veroorzaken een kleine, maar waarneembare verschuiving in de golflengte van het licht dat door het apparaat wordt uitgezonden. Deze verschuiving is een positieve indicatie dat het eiwit aanwezig is en in welke hoeveelheid.

"Laten we zeggen dat je een onderzoek hebt dat geïnteresseerd is in de vraag of een bepaald medicijn een specifiek eiwit produceert of remt. Onze biosensor zou definitief vertellen of het medicijn werkte en hoe goed op basis van de kleur van het licht van de sonde. Het zou behoorlijk een krachtig hulpmiddel, " legde Sanjiv Sam Gambhir uit, MD, co-auteur van het artikel en voorzitter van de afdeling Radiologie aan de Stanford School of Medicine en directeur van Stanford's Canary Center for Early Cancer Detection.

Als zodanig, Inbedbare optische sensoren op nanoschaal zouden een belangrijke ontwikkeling zijn in de zoektocht naar patiëntspecifieke kankertherapieën - vaak gepersonaliseerde geneeskunde genoemd - waarbij geneesmiddelen op basis van werkzaamheid op de patiënt worden gericht.

Een slimme structuur

structureel, het nieuwe apparaat is een sandwich van extreem dunne lagen van het halfgeleider galliumarsenide afgewisseld met even dunne lagen lichtgevend kristal, een soort fotonische brandstof die bekend staat als quantum dots. De structuur is gesneden uit chips of wafels, net zoals sculpturen uit de rots worden gebeiteld. Eenmaal gebeeldhouwd, de apparaten blijven vastgebonden aan het dikke substraat.

Shambat en zijn collega-ingenieurs hebben gewerkt aan soortgelijke optische apparaten voor gebruik in ultrasnelle, ultra-efficiënte computertoepassingen waarbij het niet zo veel uitmaakt dat apparaten op chips en wafers worden geïmmobiliseerd, omdat ze uiteindelijk zullen worden geïntegreerd met micro-elektronica.

Voor biologische toepassingen, echter, de dikke, zwaar substraat vormt een serieuze hindernis voor interfacing met eencellige. De onderliggende en allerbelangrijkste nanoholtes zitten op hun plaats op het stijve materiaal en kunnen niet door de celwanden dringen.

Shambats doorbraak kwam toen hij in staat was om de fotonische nanostralen weg te pellen, de omvangrijke wafel achterlatend. Vervolgens lijmde hij het ultradunne fotonische apparaatje op een glasvezelkabel waarmee hij de naaldachtige sonde naar en in de cel stuurt.

evenzo, anticiperend dat galliumarsenide giftig zou kunnen zijn voor cellen, Shambat bedacht ook een slimme manier om zijn apparaten in te kapselen in een dunne, elektrisch isolerende coating van aluminiumoxide en zirkoniumoxide. De coating heeft twee doelen:het beschermt zowel de cel tegen het potentieel giftige galliumarsenide als de sonde beschermt tegen afbraak in de celomgeving.

"Prachtige" resultaten

Eenmaal in de cel geplaatst, de sonde zendt licht uit, die van buitenaf te zien zijn. Voor ingenieurs, het betekent dat bijna elke huidige toepassing of elk gebruik van deze krachtige fotonische apparaten kan worden vertaald naar de voorheen verboden omgeving van het celinterieur.

In een bevinding die de auteurs beschrijven als verbluffend, ze laadden hun nanobundels in cellen en keken hoe de cellen groeiden, gemigreerd rond de onderzoeksomgeving en gereproduceerd. Elke keer dat een cel zich deelt, een van de dochtercellen erfde de nanostraal van de ouder en de straal bleef functioneren zoals verwacht.

Deze erfelijkheid stelt onderzoekers in staat om levende cellen gedurende lange tijdsperioden te bestuderen, een onderzoeksvoordeel dat niet mogelijk is met bestaande detectietechnieken, waarvoor cellen dood of vast op hun plaats zijn.

"Onze sondes op nanoschaal kunnen lange tijd in cellen verblijven, mogelijk sensorfeedback geven of stuursignalen geven aan de cellen verderop, ' zei Shambat. 'We hebben één cel acht dagen gevolgd. Dat is lang voor een eencellige studie."