Si los ingenieros de Stanford se salen con la suya, La investigación biológica pronto se verá transformada por una nueva clase de sondas emisoras de luz lo suficientemente pequeñas como para inyectarse en células individuales sin dañar al huésped. Bienvenidos a la biofotónica, una disciplina en la confluencia de la ingeniería, biología y medicina en las que los dispositivos basados ​​en la luz, láseres y diodos emisores de luz (LED), abren nuevas vías en el estudio y la influencia de las células vivas.

El equipo describió su investigación en un artículo publicado en línea el 13 de febrero por la revista. Nano letras . Es el primer estudio que demuestra que los resonadores de luz diseñados sofisticados pueden insertarse dentro de las células sin dañar la célula. Incluso con un resonador incrustado en el interior, una célula puede funcionar, migrar y reproducir con normalidad.

Aplicaciones e implicaciones

Los investigadores llaman a su dispositivo un "nanohaz, "porque se asemeja a una viga en I de acero con una serie de orificios redondos grabados en el centro. Estas vigas, sin embargo, no son masivas, pero miden solo unas pocas micras de largo y solo unos pocos cientos de nanómetros de ancho y grosor. Se parece un poco a una pieza de un antiguo conjunto de erectores. Los agujeros a través de las vigas actúan como una sala de espejos a nanoescala, enfocar y amplificar la luz en el centro del haz en lo que se conoce como cavidades fotónicas. Estos son los componentes básicos de los láseres y LED a nanoescala.

"Los dispositivos como las cavidades fotónicas que hemos construido son posiblemente los ingredientes más diversos y personalizables de la fotónica, "dijo el autor principal del artículo, Jelena Vuckovic, profesor de ingeniería eléctrica. "Las aplicaciones abarcan desde la física fundamental hasta los nanoláseres y biosensores que podrían tener un impacto profundo en la investigación biológica".

A nivel celular, un nanohaz actúa como una aguja capaz de penetrar las paredes celulares sin lesionarse. Una vez insertado, el rayo emite luz, produciendo una notable variedad de aplicaciones e implicaciones de investigación. Mientras que otros grupos han demostrado que es posible insertar nanotubos simples y nanocables eléctricos en las células, nadie se había dado cuenta todavía de componentes ópticos tan complicados dentro de las células biológicas.

"Creemos que este es un cambio bastante dramático con respecto a las aplicaciones existentes y permitirá ampliar las oportunidades para comprender e influir en la biología celular". "dijo el primer autor del artículo, Gary Shambat, un candidato a doctorado en ingeniería eléctrica. Shambat trabaja en el laboratorio de fotónica cuántica y nanoescala dirigido por Vuckovic.

Hierro a un imán

En este caso, las células estudiadas proceden de un tumor de próstata, indicando una posible aplicación de la sonda en la investigación del cáncer. El uso principal y más inmediato sería la detección en tiempo real de proteínas específicas dentro de las células, pero la sonda podría adaptarse para detectar cualquier biomolécula importante, como ADN o ARN.

Para detectar estas moléculas clave, los investigadores recubren la sonda con ciertas moléculas orgánicas o anticuerpos que se sabe que atraen las proteínas diana, como el hierro a un imán. Si las proteínas deseadas están presentes dentro de la célula, comienzan a acumularse en la sonda y provocan un cambio leve pero detectable en la longitud de onda de la luz que se emite desde el dispositivo. Este cambio es una indicación positiva de que la proteína está presente y en qué cantidad.

"Supongamos que tiene un estudio que está interesado en si un determinado fármaco produce o inhibe una proteína específica. Nuestro biosensor diría definitivamente si el fármaco estaba funcionando y qué tan bien en función del color de la luz de la sonda. Sería bastante una herramienta poderosa, "explicó Sanjiv Sam Gambhir, MARYLAND, coautor del artículo y presidente del Departamento de Radiología de la Escuela de Medicina de Stanford, así como director del Centro Canario de Detección Temprana del Cáncer de Stanford.

Como tal, Los sensores ópticos a nanoescala integrables representarían un desarrollo clave en la búsqueda de terapias contra el cáncer específicas para el paciente, a menudo denominadas medicina personalizada, en las que los medicamentos se dirigen al paciente en función de su eficacia.

Una estructura inteligente

Estructuralmente el nuevo dispositivo es un sándwich de capas extremadamente delgadas del semiconductor arseniuro de galio alternadas con capas igualmente delgadas de cristal emisor de luz, una especie de combustible fotónico conocido como puntos cuánticos. La estructura está tallada en chips u obleas, al igual que las esculturas están cinceladas en roca. Una vez esculpido, los dispositivos permanecen atados al sustrato grueso.

Shambat y sus compañeros ingenieros han estado trabajando en dispositivos ópticos similares para su uso en ultrarrápidos, Aplicaciones informáticas ultraeficientes donde tener dispositivos inmovilizados en chips y obleas no importa tanto ya que finalmente se integrarán con la microelectrónica.

Para aplicaciones biológicas, sin embargo, el grosor, El sustrato pesado presenta un serio obstáculo para la interfaz con células individuales. Las nanocavidades subyacentes y de suma importancia están bloqueadas en su posición sobre el material rígido y no pueden penetrar las paredes celulares.

El gran avance de Shambat se produjo cuando pudo despegar los nanohaces fotónicos, dejando atrás la voluminosa oblea. Luego pegó el dispositivo fotónico ultrafino a un cable de fibra óptica con el que dirige la sonda en forma de aguja hacia y dentro de la celda.

Similar, anticipando que el arseniuro de galio podría ser tóxico para las células, Shambat también ideó una forma inteligente de encapsular sus dispositivos en un delgado, Revestimiento eléctricamente aislante de alúmina y zirconia. El recubrimiento tiene dos propósitos:protege a la célula del arseniuro de galio potencialmente tóxico y protege a la sonda de la degradación en el entorno celular.

Resultados "asombrosos"

Una vez insertado en la celda, la sonda emite luz, que se puede observar desde el exterior. Para ingenieros, Significa que casi cualquier aplicación o uso actual de estos poderosos dispositivos fotónicos puede traducirse en el entorno del interior de la célula que antes estaba fuera de los límites.

En un hallazgo que los autores describen como asombroso, cargaron sus nanohaces en células y observaron cómo las células crecían, migraron alrededor del entorno de investigación y se reprodujeron. Cada vez que una celda se dividió, una de las células hijas heredó el nanohaz del padre y el rayo continuó funcionando como se esperaba.

Esta heredabilidad libera a los investigadores para estudiar células vivas durante largos períodos de tiempo, una ventaja de investigación que no es posible con las técnicas de detección existentes, que requieren que las células estén muertas o fijadas en su lugar.

"Nuestras sondas a nanoescala pueden residir en células durante largos períodos de tiempo, potencialmente proporcionando retroalimentación del sensor o dando señales de control a las células en el camino, ", dijo Shambat." Hemos rastreado una celda durante ocho días. Eso es mucho tiempo para un estudio unicelular ".