Se gli ingegneri di Stanford fanno a modo loro, la ricerca biologica potrebbe presto essere trasformata da una nuova classe di sonde emettitrici di luce abbastanza piccole da essere iniettate in singole cellule senza danneggiare l'ospite. Benvenuto nella biofotonica, una disciplina alla confluenza dell'ingegneria, biologia e medicina in cui i dispositivi basati sulla luce – laser e diodi emettitori di luce (LED) – stanno aprendo nuove strade nello studio e nell'influenza delle cellule viventi.

Il team ha descritto la loro indagine in un articolo pubblicato online il 13 febbraio dalla rivista Nano lettere . È il primo studio a dimostrare che sofisticati risonatori di luce ingegnerizzati possono essere inseriti all'interno delle cellule senza danneggiarle. Anche con un risonatore incorporato all'interno, una cellula è in grado di funzionare, migrare e riprodursi normalmente.

Applicazioni e implicazioni

I ricercatori chiamano il loro dispositivo un "nanobeam, " perché assomiglia a una trave a I in acciaio con una serie di fori rotondi incisi al centro. Queste travi, però, non sono enormi, ma misurare solo pochi micron di lunghezza e poche centinaia di nanometri di larghezza e spessore. Sembra un po' come un pezzo di un vecchio set di erettori. I fori attraverso i raggi agiscono come una sala di specchi su scala nanometrica, focalizzando e amplificando la luce al centro del fascio nelle cosiddette cavità fotoniche. Questi sono gli elementi costitutivi di laser e LED su scala nanometrica.

"Dispositivi come le cavità fotoniche che abbiamo costruito sono molto probabilmente gli ingredienti più diversi e personalizzabili nella fotonica, " ha detto l'autore senior del giornale, Jelena Vuckovic, un professore di ingegneria elettrica. "Le applicazioni spaziano dalla fisica fondamentale ai nanolaser e ai biosensori che potrebbero avere un profondo impatto sulla ricerca biologica".

A livello cellulare, un nanoraggio si comporta come un ago in grado di penetrare le pareti cellulari senza lesioni. Una volta inserito, il raggio emette luce, producendo una serie notevole di applicazioni e implicazioni di ricerca. Mentre altri gruppi hanno dimostrato che è possibile inserire semplici nanotubi e nanofili elettrici nelle cellule, nessuno aveva ancora realizzato componenti ottici così complicati all'interno di cellule biologiche.

"Pensiamo che questo sia un cambiamento piuttosto drammatico rispetto alle applicazioni esistenti e consentirà maggiori opportunità per comprendere e influenzare la biologia cellulare, " ha detto il primo autore del giornale Gary Shambat, un dottorando in ingegneria elettrica. Shambat lavora al Nanoscale and Quantum Photonics Lab diretto da Vuckovic.

Ferro a un magnete

In questo caso, le cellule studiate provenivano da un tumore alla prostata, indicando la possibile applicazione della sonda nella ricerca sul cancro. L'uso primario e più immediato sarebbe nel rilevamento in tempo reale di proteine ​​specifiche all'interno delle cellule, ma la sonda potrebbe essere adattata per rilevare eventuali biomolecole importanti come DNA o RNA.

Per rilevare queste molecole chiave, i ricercatori rivestono la sonda con determinate molecole organiche o anticorpi noti per attirare le proteine ​​bersaglio, proprio come il ferro per un magnete. Se le proteine ​​desiderate sono presenti all'interno della cellula, iniziano ad accumularsi sulla sonda e causano un leggero ma rilevabile spostamento della lunghezza d'onda della luce emessa dal dispositivo. Questo spostamento è un'indicazione positiva che la proteina è presente e in quale quantità.

"Supponiamo che tu abbia uno studio che è interessato a sapere se un determinato farmaco produce o inibisce una proteina specifica. Il nostro biosensore direbbe in modo definitivo se il farmaco stava funzionando e quanto bene in base al colore della luce della sonda. Sarebbe abbastanza uno strumento potente, " ha spiegato Sanjiv Sam Gambhir, dottore, co-autore dell'articolo e presidente del Dipartimento di Radiologia presso la Stanford School of Medicine, nonché direttore del Canary Center for Early Cancer Detection di Stanford.

Come tale, i sensori ottici incorporabili su nanoscala rappresenterebbero uno sviluppo chiave nella ricerca di terapie oncologiche specifiche per il paziente, spesso indicate come medicina personalizzata, in cui i farmaci sono mirati al paziente in base all'efficacia.

Una struttura intelligente

Strutturalmente, il nuovo dispositivo è un sandwich di strati estremamente sottili dell'arseniuro di gallio semiconduttore alternato a strati altrettanto sottili di cristallo emettitore di luce, una sorta di combustibile fotonico noto come punti quantici. La struttura è ricavata da trucioli o wafer, proprio come le sculture sono cesellate nella roccia. Una volta scolpito, i dispositivi rimangono legati al substrato spesso.

Shambat e i suoi colleghi ingegneri hanno lavorato su dispositivi ottici simili da utilizzare in ultraveloci, applicazioni informatiche ultra efficienti in cui avere dispositivi immobilizzati su chip e wafer non ha molta importanza poiché alla fine saranno integrati con la microelettronica.

Per applicazioni biologiche, però, la spessa, substrato pesante presenta un serio ostacolo per l'interfacciamento con le singole celle. Le nanocavità sottostanti e importantissime sono bloccate in posizione sul materiale rigido e non sono in grado di penetrare le pareti cellulari.

La svolta di Shambat è arrivata quando è stato in grado di staccare i nanofasci fotonici, lasciando dietro di sé l'ingombrante wafer. Ha quindi incollato il dispositivo fotonico ultrasottile a un cavo in fibra ottica con il quale dirige la sonda a forma di ago verso e all'interno della cellula.

Allo stesso modo, anticipando che l'arseniuro di gallio potrebbe essere tossico per le cellule, Shambat ha anche ideato un modo intelligente per incapsulare i suoi dispositivi in ​​un sottile, rivestimento elettricamente isolante di allumina e zirconia. Il rivestimento ha due scopi:protegge la cellula dall'arseniuro di gallio potenzialmente tossico e protegge la sonda dalla degradazione nell'ambiente cellulare.

Risultati "sbalorditivi"

Una volta inserito nella cella, la sonda emette luce, che si può osservare dall'esterno. Per gli ingegneri, significa che quasi qualsiasi applicazione o uso corrente di questi potenti dispositivi fotonici può essere tradotto nell'ambiente precedentemente off-limits dell'interno della cella.

In una scoperta che gli autori descrivono come sbalorditiva, hanno caricato i loro nanofasci nelle cellule e hanno guardato le cellule crescere, migrato intorno all'ambiente di ricerca e riprodotto. Ogni volta che una cellula si divide, una delle cellule figlie ha ereditato il nanoraggio dal genitore e il raggio ha continuato a funzionare come previsto.

Questa ereditarietà consente ai ricercatori di studiare le cellule viventi per lunghi periodi di tempo, un vantaggio per la ricerca non possibile con le tecniche di rilevamento esistenti, che richiedono che le cellule siano morte o fissate sul posto.

"Le nostre sonde su nanoscala possono risiedere nelle cellule per lunghi periodi di tempo, potenzialmente fornendo feedback del sensore o dando segnali di controllo alle cellule lungo la strada, " ha detto Shambat. "Abbiamo monitorato una cella per otto giorni. È molto tempo per uno studio su una singola cellula".