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Winzige Geräte verwenden Licht, um Zellen zu greifen
Winzige optische Geräte, die mit der Kraft von Photonen kleine Partikel aus einer Flüssigkeit greifen können, könnten es ermöglichen, kranke Zellen auf einem Chip ohne Mikroskop abzubilden und zu identifizieren. Die neuen Arten von optischen Fallen, die von Physikern der Harvard University entwickelt wurden, sollen in Mikrofluidik-Geräte integriert werden, von denen einige derzeit in klinischen Studien zur Krebsdiagnose und Überwachung des Ansprechens von Patienten auf Therapien getestet werden. Die Harvard-Forscher haben gezeigt, dass ihre optischen Fallen auf einem Chip das können, was herkömmlich ein großes Mikroskop und einen leistungsstarken Laser erfordert.
Lichtstärke: Ein mit einem Goldfilm beschichteter Siliziumchip (Mitte) kann bei Bestrahlung mit Laserlicht, das durch ein Prisma scheint, Partikel aus einer darüber fließenden flüssigen Lösung herausziehen.
Optische Fallen, eine in den 1980er Jahren entwickelte Technologie, kosten normalerweise Zehntausende von Dollar und erfordern leistungsstarke Laser und Mikroskope, um das Licht auf Partikel zu fokussieren, die so klein wie einzelne Atome sind. Photonen haben keine Masse, aber sie haben einen Impuls, und die Übertragung dieses Impulses auf ein Atom, ein Molekül oder eine Zelle ermöglicht es Physikern, die Bewegung des Teilchens zu kontrollieren, es zur Beobachtung absolut still zu halten oder daran zu ziehen, um seine Reaktion zu überwachen. Seit ihrer Erfindung wurden optische Fallen verwendet, um viele grundlegende wissenschaftliche Fortschritte zu erzielen. Aber die Harvard-Gruppe, geleitet von einem außerordentlichen Professor für Elektrotechnik Kenneth Crozier , hofft, optische Fallen in Diagnosegeräten verwenden zu können, um sie billig und klein genug zu machen, um in der Medizin praktisch zu sein.
Die von Crozier mit den Harvard-Forschern Ethan Schonbrun und Kai Wang entwickelten optischen Fallen können Teilchen ebenso stark einfangen wie komplexere Systeme. Crozier sagt, dass die kompakten Fallen in Mikrofluidik integriert werden könnten und beispielsweise zum Sortieren und Abbilden von Krankheitszellen im Blut verwendet werden könnten. Mikrofluidische Chips befördern Zellen in einer Flüssigkeit und steuern ihre Bewegungen typischerweise durch physikalische Barrieren und Druck- und Spannungsschwankungen. Croziers optische Fallen könnten Zellen zur Beobachtung sanft auf die Oberfläche eines Chips ziehen und dann verwendet werden, um die Zellen nach ihrer Identität zu sortieren. Die Gruppe präsentierte ihre Fortschritte auf der jährliche Konferenz des Optische Gesellschaft von Amerika diesen Monat in San Jose, Kalifornien.
Unter Verwendung von in der Halbleiterindustrie üblichen Herstellungstechniken strukturierten die Harvard-Forscher Chips mit zwei unterschiedlichen Designs. Einer ist ein Siliziumchip, der mit einem Ring mit einem Radius von fünf Mikrometern gemustert ist. Wenn es von einem Laser beleuchtet wird, schwingt Licht um den Ring herum und erzeugt eine optische Kraft, die Partikel aus der über den Chip fließenden Flüssigkeit ziehen kann. Ein anderer ist ein Chip, der mit Arrays von 64 Bullseye-Mustern gemustert ist. Jeder von diesen kann, wenn er beleuchtet wird, ein fließendes Partikel einfangen. Darüber hinaus fokussieren diese Muster das Licht auf eine Weise, die einem Mikroskop sehr ähnlich ist. Jedes hat die Funktion eines konfokalen Mikroskops und könnte verwendet werden, um ein 3D-Bild einer Zelle zu erhalten, sagt Crozier.
Fokussierungskraft: Dieser Chip, der zur Beobachtung mit Büroklammern an einem Mikroskopobjektiv befestigt ist, ist mit 500 Nanometer breiten Goldfilmen gemustert. Wenn Licht durch ein Prisma unter dem Chip auf die goldenen Linien fällt, bildet es Oberflächenenergiewellen, die Partikel einfangen und weiterschieben können.
Wenn Sie Zellsortierung durchführen möchten, ist Siliziumoptik ein guter Weg, sagt Tom Perkins , Physiker am National Institute of Standards and Technology in Boulder, CO. Der Vorteil von Siliziumsystemen gegenüber herkömmlichen optischen Fallen, sagt Perkins, sei die Kompatibilität sowohl mit der Mikrofluidik als auch mit den bereits bestehenden Herstellungsmethoden für die Herstellung von Computerchips.
Ein drittes Design von Crozier basiert auf Goldstrukturen, die eine Form von Lichtenergie namens Plasmonen erzeugen können. Wenn ein glatter Goldfilm beleuchtet wird, koppelt das Licht in Form von Oberflächenwellen, den sogenannten Plasmonen, an die Oberfläche; Die von diesen Wellen erzeugten Kräfte sind sehr lokalisiert und sehr stark. Crozier hat gezeigt, dass lange, sich verjüngende Goldschichten, die auf Siliziumchips gemustert sind, verwendet werden können, wenn sie von Licht beleuchtet werden, das durch ein kleines Prisma scheint, um ein Partikel nach unten zu ziehen und dann entlang der Goldoberfläche zu schieben. Durch Ändern des Lichtwinkels ist es möglich, die Geschwindigkeit eines Teilchens zu steuern. Diese Art von Struktur wird besonders für die Zellsortierung nützlich sein, sagt Crozier.
Diese Arten von Systemen könnten schließlich klinische Laborgeräte, sogenannte Durchflusszytometer, ersetzen, sagt Holger Schmidt , Professor für Elektrotechnik und Direktor des Keck Center for Nanoscale Optofluidics an der University of California, Santa Cruz. Moderne Durchflusszytometer verwenden sperrige optische Systeme, um Zellen beispielsweise in einer Blutprobe basierend auf ihrer Größe und Form zu trennen. Chip-Scale-Optiken könnten dasselbe tun, würden aber viel weniger kosten und könnten tragbar sein, sodass sie an das Bett eines Patienten gebracht werden könnten. Schmidt, der kompakte, empfindliche optische Systeme zum Einfangen von Zellorganellen und zum Nachweis einzelner Viruspartikel entwickelt hat, sagt, dass diese kompakten optischen Fallen in nur drei bis fünf Jahren auf dem Markt sein könnten.