Om ingenjörer på Stanford har sin väg, biologisk forskning kan snart omvandlas av en ny klass av ljusemitterande sonder som är tillräckligt små för att injiceras i enskilda celler utan att skada värden. Välkommen till biofoton, en disciplin vid sammanflödet av teknik, biologi och medicin där ljusbaserade apparater-lasrar och ljusemitterande dioder (lysdioder)-öppnar nya vägar för studier och påverkan av levande celler.

Teamet beskrev sin undersökning i ett papper publicerat 13 februari online av tidningen Nano bokstäver . Det är den första studien som visar att sofistikerade konstruerade ljusresonatorer kan sättas in i celler utan att skada cellen. Även med en resonator inbäddad inuti, en cell kan fungera, migrera och reproducera som vanligt.

Ansökningar och konsekvenser

Forskarna kallar sin enhet för en "nanobeam, "eftersom den liknar en stål-I-balk med en rad runda hål etsade genom mitten. Dessa balkar, dock, är inte massiva, men mäter bara några mikron i längd och bara några hundra nanometer i bredd och tjocklek. Det ser lite ut som ett stycke från en gammal uppsättning uppsättningar. Hålen genom balkarna fungerar som en spegelhall i nanoskala, fokusera och förstärka ljuset i mitten av strålen i så kallade fotoniska håligheter. Dessa är byggstenarna för nanoskala lasrar och lysdioder.

"Enheter som de fotoniska hålrummen vi har byggt är möjligen de mest varierande och anpassningsbara ingredienserna i fotonik, "sa tidningens seniorförfattare, Jelena Vuckovic, professor i elektroteknik. "Applikationer sträcker sig från grundläggande fysik till nanolasers och biosensorer som kan ha stor inverkan på biologisk forskning."

På mobilnivå, en nanobeam fungerar som en nål som kan tränga igenom cellväggar utan att skada sig. När den väl har satts in, strålen avger ljus, ger en anmärkningsvärd mängd forskningstillämpningar och konsekvenser. Medan andra grupper har visat att det är möjligt att sätta in enkla nanorör och elektriska nanotrådar i celler, ingen hade ännu insett så komplicerade optiska komponenter inuti biologiska celler.

"Vi tycker att detta är ett ganska dramatiskt skifte från befintliga applikationer och kommer att möjliggöra utökade möjligheter att förstå och påverka cellulär biologi, "sade tidningens första författare Gary Shambat, doktorand i elektroteknik. Shambat arbetar på Nanoscale and Quantum Photonics Lab som regisseras av Vuckovic.

Järn till en magnet

I detta fall, de studerade cellerna kom från en prostatatumör, indikerar möjlig tillämpning för sonden i cancerforskning. Den primära och mest omedelbara användningen skulle vara vid realtidsavkänning av specifika proteiner i cellerna, men sonden kan anpassas för att känna av alla viktiga biomolekyler, såsom DNA eller RNA.

För att upptäcka dessa nyckelmolekyler, forskare täcker sonden med vissa organiska molekyler eller antikroppar som är kända för att locka till sig målproteinerna, precis som järn till en magnet. Om de önskade proteinerna finns i cellen, de börjar ackumuleras på sonden och orsakar ett litet men detekterbart skift i våglängden för det ljus som avges från enheten. Detta skift är en positiv indikation på att proteinet är närvarande och i vilken mängd.

"Låt oss säga att du har en studie som är intresserad av om ett visst läkemedel producerar eller hämmar ett specifikt protein. Vår biosensor skulle definitivt berätta om läkemedlet fungerade och hur bra baserat på ljusets färg från sonden. Det skulle vara ganska ett kraftfullt verktyg, "förklarade Sanjiv Sam Gambhir, MD, medförfattare av tidningen och ordförande för Institutionen för radiologi vid Stanford School of Medicine samt chef för Stanfords Canary Center for Early Cancer Detection.

Som sådan, inbäddbara nanoskala optiska sensorer skulle representera en nyckelutveckling i jakten på patientspecifika cancerterapier-ofta kallad personlig medicin-där läkemedel är riktade till patienten baserat på effekt.

En smart struktur

Strukturellt, den nya enheten är en smörgås av extremt tunna lager av halvledaren galliumarsenid varvat med liknande tunna lager av ljusemitterande kristall, ett slags fotoniskt bränsle som kallas kvantprickar. Strukturen är huggen av chips eller skivor, ungefär som skulpturer mejslas ur sten. En gång skulpterad, anordningarna förblir bundna till det tjocka substratet.

Shambat och hans andra ingenjörer har arbetat med liknande optiska enheter för användning i ultrasnabba, ultraeffektiva datorprogram där enheter som är immobiliserade på chips och skivor inte spelar så stor roll eftersom de i slutändan kommer att integreras med mikroelektronik.

För biologiska tillämpningar, dock, det tjocka, tungt substrat utgör ett allvarligt hinder för gränssnitt med enkelceller. De underliggande och viktiga nanokaviteterna är låsta på plats på det styva materialet och kan inte tränga igenom cellväggar.

Shambats genombrott kom när han kunde skala bort de fotoniska nanobjälkarna, lämnar den skrymmande skivan bakom sig. Han limmade sedan den ultratunna fotoniska enheten på en fiberoptisk kabel med vilken han styr den nålliknande sonden mot och in i cellen.

Liknande, förväntar sig att galliumarsenid kan vara giftigt för celler, Shambat utarbetade också ett smart sätt att inkapsla sina enheter i en tunn, elektriskt isolerande beläggning av aluminiumoxid och zirkoniumoxid. Beläggningen tjänar två syften:den skyddar både cellen från den potentiellt giftiga galliumarseniden och skyddar sonden från att försämras i cellmiljön.

"Fantastiska" resultat

När den väl är införd i cellen, sonden avger ljus, som kan observeras utifrån. För ingenjörer, det betyder att nästan vilken som helst aktuell applikation eller användning av dessa kraftfulla fotoniska enheter kan översättas till den tidigare avgränsade miljön i cellinredningen.

I en upptäckt som författarna beskriver som fantastisk, de laddade sina nanobalkar i celler och såg hur cellerna växte, migrerade runt forskningsmiljön och reproducerade. Varje gång en cell delades, en av dottercellerna ärvde nanobeamet från föräldern och strålen fortsatte att fungera som förväntat.

Denna ärftlighet gör det möjligt för forskare att studera levande celler under lång tid, en forskningsfördel som inte är möjlig med befintliga detektionstekniker, som kräver att cellerna är antingen döda eller fixerade på plats.

"Våra nanoskala sonder kan ligga i celler under lång tid, eventuellt ge sensoråterkoppling eller ge styrsignaler till cellerna på vägen, "sa Shambat." Vi spårade en cell i åtta dagar. Det är lång tid för en cell med en cell. "