Le particelle di microlaser sono emerse come sonde ottiche uniche per il tracciamento di singole cellule. Però, a causa della direzionalità intrinseca delle emissioni laser, il tracciamento cellulare con particelle laser soffre di frequenti perdite di tracce cellulari. Recentemente, scienziati della Harvard Medical School e dell'Università di Pechino hanno posizionato particelle laser visibili omnidirezionali in cellule vive, e ha dimostrato il monitoraggio spaziale continuo di singole cellule. La tecnica aprirà nuove strade per l'analisi di cellule singole su larga scala nello studio dell'eterogeneità cellulare.

Le particelle laser sono laser micrometrici e nanometrici sotto forma di particelle disperdibili in soluzione acquosa, che hanno suscitato un notevole interesse nelle scienze della vita come nuova promettente sonda ottica. Le particelle laser emettono luce brillante con una larghezza di banda spettrale estremamente stretta. Trasferendo particelle laser in cellule vive come mostrato nella Figura 1, le singole cellule in una popolazione eterogenea possono essere tracciate utilizzando l'impronta spettrale specifica di ciascuna particella intracellulare come codice a barre leggibile otticamente. Però, le particelle laser emettono luce direzionale (Figura 2) e si disperdono liberamente all'interno delle cellule viventi, il loro orientamento varia casualmente nel tempo. Pertanto la lettura ottica di queste etichette risulta in un lampeggiamento "simile a un faro", portando a frequenti perdite di tracce cellulari.

In un nuovo articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni , scienziati del gruppo del professor Seok-Hyun Yun alla Harvard Medical School, e il gruppo del professor Yun-Feng Xiao all'Università di Pechino dimostrano il tracciamento di una singola cellula con particelle laser intracellulari progettate per emettere in modo quasi omogeneo in tutte le direzioni. L'emissione laser omnidirezionale si ottiene incorporando la diffusione della luce nella cavità del microdisco, che riduce le fluttuazioni di intensità dipendenti dall'orientamento di due ordini di grandezza (Figura 2), consentendo il tracciamento senza lampeggiamenti di singole celle nelle stesse condizioni in cui la tecnologia esistente soffre di frequenti errori di tracciamento. La tecnica riportata aprirà nuove strade per l'analisi di cellule singole su larga scala, e facilitare altre applicazioni di particelle laser, come il rilevamento cellulare e biochimico e l'analisi di singole cellule in microfluidica.

Questi scienziati riassumono il principio di etichettatura a cellula singola delle particelle laser:"In genere, i ricercatori utilizzano sonde fluorescenti per etichettare cellule specifiche, ma solo pochi colori possono essere usati contemporaneamente prima che la sovrapposizione spettrale diventi un problema. Le particelle laser sono minuscoli laser che possono essere inseriti all'interno di cellule viventi. Questi minuscoli laser possono essere progettati per produrre molti più colori distinguibili. Le particelle laser intracellulari con un colore specifico si muoveranno con cellule vive, e quindi le singole cellule possono essere tracciate mentre si muovono attraverso campioni biologici complessi, " ha detto il dottor Shui-Jing Tang, un ex studente in visita presso la Harvard Medical School e un attuale ricercatore post-dottorato Boya presso l'Università di Pechino.

"Sfortunatamente, le particelle laser emettono luce in una direzione specifica. Quando le particelle ruotano liberamente nel tempo mentre la cellula si muove, la loro apparente luminosità, visto da un fotorilevatore, cambia drasticamente. Abbiamo sviluppato un nuovo tipo di particelle laser che emettono luce in tutte le direzioni. Perciò, le tracce spaziali delle cellule potevano essere tracciate continuamente indipendentemente da come ogni particella fosse orientata all'interno di una cellula, " ha aggiunto Paul Dannenberg, uno studente laureato alla Harvard Medical School.

"La tecnica presentata consente di rilevare e identificare le particelle laser in modo affidabile nel tempo nelle applicazioni di tracciamento cellulare, che potrebbe consentire l'analisi di una singola cellula su larga scala in campioni biologici complessi. Oltre al monitoraggio delle cellule, il nostro lavoro faciliterà altre applicazioni di particelle laser, come il rilevamento cellulare e biochimico e l'analisi unicellulare in microfluidica, " ha detto il dottor Andreas Liapis, ricercatore presso l'Università di Harvard.