Se pueden utilizar nuevas herramientas fotónicas para la obtención de imágenes médicas para comprender el comportamiento no lineal de la luz láser en la sangre humana para aplicaciones teranósticas. Cuando la luz entra en los fluidos biológicos, se dispersa rápidamente, sin embargo, algunas suspensiones de células pueden inducir respuestas no lineales en rayos láser para autoenfocar y mejorar la penetración de la luz para aplicaciones biomédicas como un marcador cuantificable de enfermedad. En un estudio reciente ahora publicado en Luz:ciencia y aplicaciones , Rekha Gautam y sus colegas de la Universidad Estatal de San Francisco y un equipo internacional de colaboradores demostraron que un rayo láser que brilla a través de las suspensiones de glóbulos rojos podría quedar "atrapado por sí mismo". El proceso redujo la dispersión de la luz para retener la potencia del rayo de luz láser dentro de las muestras biológicas.

La no linealidad observada dependió de las condiciones osmóticas y la edad de las muestras. Los científicos proponen utilizar la técnica para diagnosticar la anemia de células falciformes o la malaria; enfermedades que afectan el tamaño y la forma de las células sanguíneas. Las condiciones osmóticas juegan un papel importante en las propiedades de los glóbulos rojos humanos (GR) cruciales durante el análisis de enfermedades. Numerosos esfuerzos en la última década se han centrado en el estudio de las propiedades biomecánicas de los glóbulos rojos suspendidos en diversas soluciones osmóticas.

En el presente trabajo, Gautam y col. determinó la propagación no lineal auto-atrapante y resistente a la dispersión de un rayo láser a través de tres soluciones / condiciones osmóticas diferentes. Los resultados mostraron que la fuerza de la no linealidad óptica aumentó con la presión osmótica sobre las células. Curiosamente, en muestras de sangre envejecidas con células lisadas, el comportamiento no lineal fue notablemente diferente debido a la presencia de hemoglobina libre. Para explicar las observaciones experimentales, Gautam y col. utilizó un modelo teórico con una no linealidad no local mediada por fuerza óptica. El presente trabajo sobre el autoguiado de la luz a través de materia biológica blanda dispersa puede introducir nuevas herramientas fotónicas para la obtención de imágenes biomédicas no invasivas y el diagnóstico médico.

Los glóbulos rojos humanos son células maleables en forma de disco que poseen un índice de refracción espacialmente uniforme ya que carecen de núcleos a diferencia de la mayoría de los orgánulos. y muestran una deformabilidad distintiva para el paso a través de venas y microcapilares. El cambio de forma se puede impulsar modificando la osmolaridad del tampón líquido circundante para usar los glóbulos rojos como microlentes optofluídicos sintonizables. Las propiedades ópticas de los glóbulos rojos son importantes para el diagnóstico de enfermedades in vitro e in vivo en las que el índice de refracción de los glóbulos rojos está determinado por la hemoglobina (Hb), la mayor parte del contenido seco de eritrocitos en peso. Como resultado, si el volumen celular disminuyó debido a condiciones osmóticas variables, el índice de refracción aumentó.

Condiciones fisiopatológicas como la anemia de células falciformes, La malaria y la sepsis a menudo están estrechamente relacionadas con las propiedades físicas de los glóbulos rojos, su forma y tamaño. Las características fundamentales de los índices de refracción variables y las formas de las células permiten que los glóbulos rojos reaccionen a los cambios en diferentes entornos osmóticos, lo que los convierte en candidatos ideales para estudiar la dispersión de la luz. En el presente trabajo, Gautam y col. mostraron auto-atrapamiento no lineal de la luz a una distancia de un centímetro de propagación mediante la dispersión de suspensiones de glóbulos rojos. Cuando aumentaron la potencia del rayo láser, mostraron que el rayo se autoenfocaba dramáticamente dentro de las tres condiciones osmóticas, al igual que los solitones espaciales ópticos (paquetes de ondas no lineales auto-atrapadas). Las fuerzas ópticas que cambian con la densidad y la morfología celular pueden proporcionar herramientas no invasivas para clasificar diversas células, según una etapa específica de una enfermedad determinada.

Los científicos obtuvieron muestras de sangre de donantes anónimos para los experimentos. En el primer conjunto de experimentos, utilizaron un rayo láser de onda continua polarizada linealmente (CW) con una longitud de onda de 532 nm. Enfocaron la luz en una cubeta de vidrio de 3 cm de largo llena de suspensiones de glóbulos rojos en diversas condiciones osmóticas. como se describió previamente. Monitorizaron las salidas lineales y no lineales de la muestra utilizando una cámara CCD y un detector de potencia, y midió los diámetros de la viga usando el programa Beamview. El haz primero difractaba normalmente a una baja potencia de 10 mW y luego experimentó una fuerte dispersión debido a la distribución aleatoria de glóbulos rojos de forma no esférica.

Gautam y col. luego midió la transmisión láser normalizada (potencia de salida / entrada) en función de la potencia del haz de entrada. En soluciones hipotónicas, notaron que los glóbulos rojos estaban en un estado "hinchado" en el que el índice de refracción efectivo de las células disminuía a medida que aumentaba la proporción de agua a Hb. A diferencia de, en la solución hipertónica, los científicos observaron que los glóbulos rojos se encogían, y su índice efectivo aumentó debido a la reducción de la relación agua / Hb. En una tercera solución isotónica, las células exhibieron un estado "normal", en el que los glóbulos rojos mostraron un comportamiento intermedio. Cuando los experimentos se realizaron con las mismas muestras de sangre dos semanas después, los científicos observaron resultados notablemente diferentes en los que el enfoque no lineal mejoró dramáticamente para la solución hipertónica.

En una segunda serie de experimentos, los científicos utilizaron un sistema de pinzas ópticas de fabricación casera para medir la fuerza del gradiente óptico en los glóbulos rojos. Gautam y col. recogió la luz de dispersión hacia adelante de las células atrapadas con una lente de condensador y posteriormente se centró en un detector sensible a la posición (PSD). Calcularon la rigidez y la fuerza del gradiente en las tres soluciones separadas. Para simplificar las medidas, Gautam y col. trataron los glóbulos rojos hipotónicos e hipertónicos como objetos en forma de disco. Utilizaron una cámara CCD para registrar los movimientos celulares de las tres soluciones diferentes junto con un microscopio con dos objetivos, donde la configuración fue impulsada usando un rayo láser de 960 nm. Los resultados ilustraron el movimiento de las células contra el movimiento browniano bajo la acción de fuerzas ópticas basadas en las condiciones de la célula (forma, tamaño) y su capacidad de atrapamiento de haces. Gautam y col. estimó la fuerza de atrapamiento usando la ecuación de Langevin e informó que la fuerza siguió una tendencia de hipertónica> isotónico> condiciones hipotónicas.

Luego, los científicos desarrollaron un modelo para simular la propagación del haz no lineal en materia biológica blanda con el fin de comprender la física de la no linealidad mediada por la fuerza óptica. Modelaron la evolución en el tiempo de la distribución de la concentración de partículas utilizando una ecuación de difusión-advección y consideraron la presencia de una fuerza de dispersión hacia adelante para empujar las partículas a lo largo de la dirección de propagación del haz. junto con la fuerza del gradiente óptico. Gautam y col. calculó el cambio en el tamaño del haz para los diferentes parámetros de gradiente y fuerza de dispersión para simular los efectos de autoenfoque no lineal en diferentes condiciones de amortiguación. Registraron el tamaño cambiante, índices de volumen e índice de refracción de los glóbulos rojos bajo diversas condiciones osmóticas que eran responsables de la magnitud variable de las fuerzas ópticas que modificaban la no linealidad óptica. Los resultados simulados fueron cualitativamente consistentes con las observaciones experimentales.

De este modo, Gautam y col. estudiaron la propagación del haz no lineal en glóbulos rojos humanos suspendidos en tres soluciones tampón diversas. Descubrieron que los glóbulos rojos exhibían una fuerte no linealidad de autoenfoque que podía controlarse químicamente en función de la solución tampón. Por lo tanto, proponen ajustar la no linealidad óptica a través de la ósmosis y el aumento de la presión osmótica, fuera de las células en muestras de sangre fresca. Cuando las muestras envejecieron, la hemoglobina libre de los glóbulos rojos lisados ​​jugó un papel activo en la no linealidad óptica observada y mejoró la respuesta no lineal en condiciones hipotónicas.

Usando microscopía de video directa y mediciones con pinzas ópticas, los científicos demostraron que la fuerza de atrapamiento del rayo era mayor para los glóbulos rojos en condiciones hipertónicas y más débil para las soluciones hipotónicas. Los científicos introdujeron un modelo teórico para validar los efectos experimentales observados. El trabajo introducirá una nueva perspectiva en el desarrollo de herramientas de diagnóstico, ya que los resultados son muy prometedores para el desarrollo de terapias de tratamiento con láser para enfermedades relacionadas con la sangre.

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