Gli scienziati hanno creato un nuovo modo per monitorare le sottili interazioni farmacologiche tra batteri e antibiotici. Utilizzando una comune stampante a getto d'inchiostro da ufficio, ricercatori di NTU Singapore e Cina hanno sviluppato un laser vivente usa e getta su chip incapsulando batteri viventi all'interno. Le forti emissioni laser generate dai batteri all'interno della gocciolina saranno notevolmente migliorate durante le interazioni farmacologiche. Questa svolta potrebbe consentire test più sensibili e ad alta produttività utilizzando la tecnologia laser micro-nano nel prossimo futuro.

Gli antibiotici hanno trasformato il campo della medicina rendendo possibile la cura di molte malattie microbiche al giorno d'oggi. Il monitoraggio delle interazioni tra batteri e antibiotici (farmaci patogeni) è quindi un passaggio fondamentale per un'ulteriore valutazione dell'efficacia dei farmaci. Negli ultimi dieci anni sono stati sviluppati diversi tipi di tecnologie alla ricerca di uno strumento altamente sensibile per monitorare le interazioni farmaco-batteri. A causa di molte limitazioni, le tecniche convenzionali di solito impiegano più tempo per vedere un risultato evidente delle interazioni farmacologiche. È quindi molto difficile identificare piccole interazioni dinamiche.

I recenti progressi nei microlaser hanno dimostrato le sue potenti capacità in termini di amplificazione del segnale, forte intensità, e alta sensibilità per il rilevamento biomedico. Alla ricerca di uno strumento di rilevamento più semplice e sensibile, Un nuovo studio condotto dal professor Yu-Cheng Chen presso la Nanyang Technological University (NTU Singapore) ha ora sviluppato un lavabile, laser vivente usa e getta in grado di monitorare minuscole interazioni dinamiche batteri-farmaci su un chip. I minuscoli laser fungono da sensore privo di colture altamente sensibile, dove i batteri viventi erano incapsulati nelle microgoccioline d'acqua. Entusiasta delle loro scoperte pubblicate in Chimica analitica , Prof. Yu Cheng Chen, un Assistant Professor presso la Nanyang Technological University, NTU Singapore dice, "È incredibile che questi minuscoli laser biologici viventi possano essere stampati direttamente da una stampante a getto d'inchiostro per ufficio. Con i vantaggi della stampa a getto d'inchiostro, i laser viventi possono essere fabbricati in una dimensione di massa in pochi secondi. La cosa bella è, è quindi possibile eliminare i laser e stampare di nuovo dopo il rilevamento."

La preparazione di questi sensori è avvenuta in tre fasi. Primo, i ricercatori hanno etichettato i batteri (Escherichia coli) con coloranti di acidi nucleici, che potrebbe riconoscere il DNA e l'RNA nelle cellule. Quindi le cellule insieme al suo mezzo cellulare sono state iniettate nella stampante dell'ufficio, dove i farmaci antibiotici possono essere aggiunti direttamente nei puntali delle pipette (o nella testina di stampa). Le micro-goccioline dell'emisfero sono state quindi stampate in serie su chip a specchio. Finalmente, l'array laser vivente è stato scansionato con un raggio laser per generare immagini di emissione laser da modalità sussurro-galleria.

Poiché il farmaco interagisce con i batteri, la membrana cellulare verrebbe distrutta e, a sua volta, più DNA fluorescente (molecola di guadagno) sarà rilasciato nella gocciolina nel tempo e contribuirà ai WGM, con conseguente emissione laser più forte. Poiché il segnale laser è molto sensibile ai cambiamenti delle molecole di colorante all'interfaccia delle goccioline, perciò, un piccolo aumento delle molecole di DNA rilasciate può essere catturato e comportare un cambiamento significativo nella distribuzione del guadagno e nelle emissioni laser. I risultati hanno dimostrato che l'analisi dell'immagine dell'emissione laser è molto più sensibile dell'analisi dell'immagine della fluorescenza di due ordini di grandezza, dove le immagini in fluorescenza si saturano dopo un breve periodo di tempo. Il professor Chen Yu-Cheng dice:"I nostri risultati mostrano che l'amplificazione che si verifica durante la generazione del laser ci ha permesso di quantificare piccoli cambiamenti nei processi biologici nel mezzo di guadagno".

In collaborazione con lo Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology in Cina, il nuovo design del biosensore laser vivente del team non solo elimina la necessità di colture cellulari laboriose e dispendiose in termini di tempo, ma ma semplifica anche la configurazione del sensore senza la necessità di alcuna fabbricazione complessa. Più importante, è stato proposto un nuovo concetto di bioanalisi basato su immagini di emissione laser per quantificare i processi biochimici e biologici sottostanti in vitro o in vivo, aprendo la strada all'analisi laser su chip ad alta produttività degli organismi viventi.

Per quanto riguarda le importanti applicazioni future del loro lavoro, Professore Associato Shilun Feng, chi è il coautore spiega, "Questo è un lavoro fantastico che unisce la fabbricazione microfluidica con i laser viventi su un chip. Lo stesso approccio potrebbe essere applicato a una vasta gamma di specie viventi, comprese le cellule viventi, batteri, virus, e interazioni tra proteine. Questa tecnologia può consentire una diagnosi tempestiva e un trattamento con elevata sensibilità. Con la rapida necessità di screening farmacologico contro i virus, questa tecnologia potrebbe persino consentire a virus o batteri di coltivare all'interno delle microgoccioline e monitorare le interazioni dinamiche con i farmaci. " Infatti, anche se c'è ancora molta strada da fare per combattere molte malattie in futuro, il loro dispositivo rappresenta una pietra miliare per implementare il laser vivente biologico verso l'analisi ad alto rendimento degli organismi viventi.