Da sinistra, Yao Shen, un master in ingegneria meccanica presso il Worcester Polytechnic Institute (WPI), Yuxiang "Shawn" Liu, professore assistente di ingegneria meccanica, e il dottorando Chaoyang Ti con l'apparato che stanno usando per testare pinzette ottiche che impiegano fibre ottiche invece di lenti. Credito:Istituto Politecnico di Worcester
In un articolo pubblicato su Rapporti scientifici sulla natura , un team di ricercatori del Worcester Polytechnic Institute (WPI) ha dimostrato come un dispositivo che utilizza fasci di luce per afferrare e manipolare piccoli oggetti, comprese le singole cellule, può essere miniaturizzato, aprendo la porta alla creazione di dispositivi portatili abbastanza piccoli da essere inseriti nel flusso sanguigno per intrappolare le singole cellule tumorali e diagnosticare il cancro nelle sue prime fasi.
La tecnica, note come pinzette ottiche, utilizza fasci ottici di luce laser per creare un campo di forza attraente che può contenere, o trappola, piccoli oggetti in posizione senza contatto fisico. Le tradizionali pinzette ottiche focalizzano la luce con una lente grande e costosa, che rende il dispositivo ingombrante e suscettibile alle fluttuazioni ambientali. Queste limitazioni rendono impossibile l'uso delle pinzette ottiche al di fuori del laboratorio.
nella loro Rapporti scientifici carta ("Rilevamento della posizione basato su fibra senza obiettivo con risoluzione nanometrica in un sistema di intrappolamento ottico in fibra, ") una squadra guidata da Yuxiang "Shawn" Liu, professore assistente di ingegneria meccanica, spiega come ha potuto sostituire le lenti con minuscole fibre ottiche e miniaturizzare il dispositivo.
"Attualmente, fare il test per il cancro, devi aspettare che ci sia un tumore visibile o un volume sufficiente di cellule cancerose in un campione di sangue, " ha detto. "A quel tempo, il cancro può essere avanzato. Ma il cancro inizia con le singole cellule. Se i medici potessero separare quelle cellule tra milioni di cellule del sangue, potremmo rilevare il cancro molto prima, in un punto in cui non è visibile utilizzando altre tecniche. Questo potrebbe far avanzare le diagnosi di mesi o addirittura anni, e rendere il trattamento molto più efficace."
Dimostrato per la prima volta negli anni '80, le pinzette ottiche sono diventate uno strumento fondamentale per gli scienziati in biologia, chimica, e fisica per eseguire esperimenti su scala molecolare e cellulare. Poiché possono intrappolare piccoli oggetti e tenerli in posizione, lontano dal contatto con tutto ciò che potrebbe alterare il loro stato o la loro funzione, le pinzette consentono di studiare materiali o singole cellule senza rimuoverli dai loro ambienti nativi.
Un primo piano di una parte delle pinzette in fibra ottica sviluppate da un team di ricerca del Worcester Polytechnic Institute (WPI). Le due fibre viste qui proiettano fasci di luce laser che si intersecano per creare una trappola ottica tridimensionale che può contenere e spostare singole cellule. Credito:Worcester Polytechnic Institute (WPI)
Mentre i dispositivi potrebbero essere utili sul campo (per testare campioni di acqua o terreno, ad esempio) o negli ospedali e negli studi medici, il loro design attuale li rende troppo grandi (circa 2 o 3 piedi di altezza e circa 2 piedi di larghezza) e troppo sensibili (la loro precisione può essere influenzata da una leggera corrente d'aria) per essere utili al di fuori di un ambiente di laboratorio altamente controllato.
Per rimpicciolire il dispositivo, accendino, e più portatile, Liu ha deciso di sostituire l'obiettivo con fibre ottiche di vetro. Ma poiché una fibra ottica è estremamente sottile (circa la larghezza di un capello umano), la sua punta è troppo piccola per fungere da lente, quindi una singola fibra non può focalizzare un raggio laser abbastanza intensamente da creare una trappola ottica. Liu ha scoperto di poter creare una trappola ottica tridimensionale utilizzando due fibre per proiettare fasci di luce che si intersecano. In questo modo poteva tenere in posizione un minuscolo oggetto sferico determinandone contemporaneamente la posizione con precisione nanometrica e misurando la forza della presa della trappola sull'oggetto.
"Questo dimostra che non abbiamo bisogno dell'obiettivo per creare la trappola, " disse Liù, che ha lavorato a questo progetto per circa 12 anni. "Se vogliamo avere un piccolo, sistema portatile, abbiamo bisogno solo di fibre ottiche per intrappolare e misurare le cellule".
Utilizzando fibre ottiche, Liu ha detto che può costruire pinzette ottiche più robuste e 100 volte più piccole delle versioni tradizionali. Con ulteriori ricerche, ha detto che crede di poter creare un dispositivo clinico delle dimensioni di una normale siringa che potrebbe essere inserito in un vaso sanguigno per intrappolare le singole cellule. Ha detto che le pinzette potrebbero anche essere fatte parte di un laboratorio su chip delle dimensioni di un francobollo, che integra alcune funzioni di laboratorio su un circuito integrato. I chip potrebbero essere venduti in farmacia in modo che i pazienti possano mettersi alla prova a casa.
Liu sta collaborando con Qi Wen, professore associato di fisica, e Songbai Ji, professore associato di ingegneria biomedica. Dottorandi Chaoyang Ti (ingegneria meccanica), Yao Shen (ingegneria meccanica), e anche Minh-Tri Ho-Thanh (fisica) fanno parte del team di ricerca.
Mentre le applicazioni cliniche delle pinzette in fibra ottica possono essere di diversi anni, il team di ricerca sta lavorando per perfezionare ulteriormente il suo dispositivo, creando un nuovo pacchetto per proteggere le punte fragili delle fibre ottiche e per rendere le pinzette più facili da usare per altri ricercatori. Stanno anche lavorando per trovare piccoli, sorgenti laser a basso costo e rilevatori ottici.
