En un artículo publicado en Informes científicos de la naturaleza , un equipo de investigadores del Instituto Politécnico de Worcester (WPI) ha demostrado cómo un dispositivo que utiliza rayos de luz para agarrar y manipular objetos diminutos, incluidas las células individuales, se puede miniaturizar, abriendo la puerta a la creación de dispositivos portátiles lo suficientemente pequeños como para insertarse en el torrente sanguíneo para atrapar células cancerosas individuales y diagnosticar el cáncer en sus primeras etapas.

La técnica, conocidas como pinzas ópticas, utiliza rayos ópticos de luz láser para crear un campo de fuerza atractivo que puede sostener, o trampa, pequeños objetos en su lugar sin contacto físico. Las pinzas ópticas tradicionales enfocan la luz con una lente grande y cara, lo que hace que el dispositivo sea voluminoso y susceptible a las fluctuaciones ambientales. Estas limitaciones hacen que las pinzas ópticas sean imposibles de usar fuera del laboratorio.

En su Informes científicos papel ("Detección de posición basada en fibra sin lentes de objetivo con resolución nanométrica en un sistema de captura de fibra óptica, ") un equipo dirigido por Yuxiang" Shawn "Liu, profesor asistente de ingeniería mecánica, explica cómo ha podido sustituir las lentes por diminutas fibras ópticas y miniaturizar el dispositivo.

"En la actualidad, para probar el cáncer, debe esperar hasta que haya un tumor visible o un volumen suficiente de células cancerosas en una muestra de sangre, ", dijo." En ese momento, el cáncer puede estar avanzado. Pero el cáncer comienza con células individuales. Si los médicos pudieran separar esas células de entre millones de células sanguíneas, podríamos detectar el cáncer mucho antes, en un punto en el que no es visible con otras técnicas. Esto podría hacer avanzar los diagnósticos por meses o incluso años, y hacer que el tratamiento sea mucho más exitoso ".

Demostrado por primera vez en la década de 1980, las pinzas ópticas se han convertido en una herramienta fundamental para los científicos en biología, química, y física para realizar experimentos a escala molecular y celular. Dado que pueden atrapar objetos pequeños y mantenerlos en su lugar, lejos del contacto con cualquier cosa que pueda alterar su estado o función, las pinzas permiten estudiar materiales o células individuales sin sacarlos de sus entornos nativos.

Si bien los dispositivos podrían ser útiles en el campo (para analizar muestras de agua o suelo, por ejemplo) o en hospitales y consultorios médicos, su diseño actual los hace demasiado grandes (alrededor de 2 a 3 pies de alto y alrededor de 2 pies de ancho) y demasiado sensibles (su precisión puede verse afectada por una ligera corriente de aire) para ser útiles fuera de un entorno de laboratorio altamente controlado.

Para hacer el dispositivo más pequeño, encendedor, y más portátil, Liu decidió reemplazar la lente con fibras ópticas de vidrio. Pero dado que una fibra óptica es extremadamente delgada (aproximadamente del ancho de un cabello humano), su punta es demasiado pequeña para actuar como una lente, por lo que una sola fibra no puede enfocar un rayo láser con la intensidad suficiente para crear una trampa óptica. Liu descubrió que podía crear una trampa óptica tridimensional utilizando dos fibras para proyectar haces de luz que se cruzan. De esta manera, podía sostener un objeto esférico diminuto en su lugar y al mismo tiempo determinar su posición con precisión nanométrica y medir la fuerza del agarre de la trampa sobre el objeto.

"Esto demuestra que no necesitamos la lente para crear la trampa, "dijo Liu, quien ha estado trabajando en este proyecto durante aproximadamente 12 años. "Si queremos tener un pequeño, sistema portátil, solo necesitamos fibras ópticas para atrapar y medir las células ".

Mediante el uso de fibras ópticas, Liu dijo que puede construir pinzas ópticas que son más robustas y 100 veces más pequeñas que las versiones tradicionales. Con investigación adicional, dijo que cree que puede crear un dispositivo clínico del tamaño de una jeringa normal que podría insertarse en un vaso sanguíneo para atrapar células individuales. Dijo que las pinzas incluso podrían formar parte de un laboratorio en un chip del tamaño de un sello postal, que integra algunas funciones de laboratorio en un circuito integrado. Los chips podrían venderse en farmacias para que los pacientes puedan probarse ellos mismos en casa.

Liu está colaborando con Qi Wen, profesor asociado de física, y Songbai Ji, profesor asociado de ingeniería biomédica. Estudiantes de doctorado Chaoyang Ti (ingeniería mecánica), Yao Shen (ingeniería mecánica), y Minh-Tri Ho-Thanh (física) también forman parte del equipo de investigación.

Si bien las aplicaciones clínicas de las pinzas de fibra óptica pueden tardar varios años, el equipo de investigación está trabajando para perfeccionar aún más su dispositivo, creando un nuevo paquete para proteger las puntas quebradizas de las fibras ópticas y hacer que las pinzas sean más fáciles de usar para otros investigadores. También están trabajando para encontrar pequeños Fuentes láser y detectores ópticos de bajo costo.