Para todos aqueles biólogos celulares que tinham um pedido simples - células equipadas com raios laser em miniatura - uma equipe de Harvard realmente fez acontecer. A capacidade de direcionar minúsculos lasers em uma viagem fantástica dentro do corpo poderia permitir um conjunto de aplicações médicas, desde o fornecimento de medicamentos até o rastreamento do crescimento do tumor.
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"Esperamos usar a célula como uma máquina biológica, programada pelo DNA interno, que pode fornecer um laser a um alvo", explica Seok-Hyun (Andy) Yun, da Harvard Medical School.
A luz é usada para ver células internas com instrumentos como o endoscópio de célula única, mas seu uso tem sido limitado a locais mais acessíveis, como a pele, porque sua luz não penetra bem em tecidos mais profundos. A adição de corantes e proteínas fluorescentes às células pode ajudar os cientistas a detectá-los e examiná-los ainda mais dentro do corpo. Mas esses procedimentos produzem um amplo espectro de emissões, o que pode dificultar a seleção de dados específicos de células entre todas as emissões de fundo produzidas por moléculas em tecidos biológicos.
Digite o microlaser, que pode fornecer uma maneira muito mais precisa e penetrante para a imagem, monitorar e talvez até mesmo ajudar as células vivas.
"Queremos reinventar o laser para aplicações médicas", diz Yun. “Em vez de emprestar os lasers que foram inventados pela indústria por várias outras razões, nós fizemos isso com um material biológico e muito pequeno, para que ele possa ser implantado ou injetado no corpo com poucos problemas para fazer aplicações baseadas em luz. onde atualmente não é prático fornecer luz. ”
Um laser típico excita átomos de modo que eles emitem luz em um determinado comprimento de onda, em seguida, reflete a luz entre um par de espelhos para amplificar o efeito. Um dos espelhos é parcialmente transparente, permitindo que alguma luz escape em um feixe estreito - esse é o laser. A chave para construir um laser dentro de uma célula é criar um micro-ressonante óptico - uma versão em miniatura dessa configuração que confina a luz de forma que ela circule dentro de uma pequena esfera, onde ela é retida pela refração na superfície da esfera.
A equipe de Yun fez isso de duas maneiras diferentes. Uma versão macia foi feita através da injeção de uma pequena gota de óleo ou gordura lipídica natural misturada com um corante fluorescente em uma célula. Uma versão rígida usava contas de poliestireno fluorescentes. Em cada caso, a célula inteira foi excitada por um pulso de nanossegundo que produziu luz, que então ficou presa dentro da esfera.
"É como quando você está em uma sala vazia e uma certa frequência de voz é ressoada", explica Yun. “Mas se a sala for espremida, se a forma e o tamanho mudarem, a frequência de ressonância também será alterada. Nós fazemos a mesma coisa, em princípio, com a escala de frequência óptica. Certa luz entra em ressonância e, ao circular a cavidade, ela se amplifica e acaba se transformando na saída do laser ”.
A extrema precisão dessa saída é uma coisa que torna os minúsculos lasers tão promissores. As versões de gotículas moles mudam de forma sempre tão leve quando sob estresse, e essa deformação faz uma mudança visível no espectro de emissão do laser, de modo que até mesmo mudanças minúsculas na célula podem ser registradas em detalhes finos. Da mesma forma, a equipe pode produzir lasers de comprimentos de onda ligeiramente diferentes, alterando o tamanho das contas duras - permitindo que codifiquem de forma única uma célula individual e potencialmente rotulem milhares de células diferentes em um único tecido, de acordo com a pesquisa publicada na Nature Photonics. .
Uma imagem confocal de uma única célula adiposa mostra uma grande gota lipídica (laranja) e o pequeno núcleo celular (azul). A gotícula lipídica dentro da célula pode ser usada como um laser natural. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) 
Uma fibra ótica é inserida em um pedaço de pele de porco para estimular a luz laser gerada pelas células adiposas subcutâneas. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) 
Uma imagem confocal mostra células (verde), seus núcleos (azul) e as gotículas de óleo injetado (vermelho) que estão atuando como lasers deformáveis dentro das células. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) 
Um número de células contendo lasers (verde), que podem ser usados para marcar milhares de células. (Matjaž Humar e Seok Hyun Yun) Células vivas são o mecanismo de entrega ideal para obter esses microlasers onde eles podem fazer o melhor. Por exemplo, as células do sistema imunológico podem ser direcionadas para responder a problemas específicos, para que possam fornecer um laser para se ligar a um tumor ou a outro local da doença. Uma vez no lugar, uma luz laser finamente sintonizada poderia realizar qualquer número de aplicações.
"Os picos espectrais do laser são muito sensíveis ao ambiente local, e você pode projetar o laser para que ele detecte certos biomarcadores e mude o comprimento de onda de saída quando eles mudam mesmo em pequenos turnos", observa Yun. Isso significa que o laser pode fornecer informações altamente detalhadas sobre superfícies celulares, hormônios e até mesmo a produção de proteína da célula. Os lasers também podem ser usados para marcar células individuais e, assim, pintar uma imagem muito mais detalhada de como um objeto maior, como um tumor, muda com o tempo.
"Você pode ver exatamente onde as células individuais vão para o corpo, quais metastatizam mais cedo do que outras, e estudar o crescimento do encolhimento de um tumor no nível da célula individual", diz Yun.
Talvez o mais promissor de todos seja o potencial não apenas de monitorar aspectos da saúde humana, mas de ativá-los, acrescenta: “Essas células equipadas com laser também poderiam ser carregadas com drogas ativadas pela luz e entregues em um local específico, onde pode ser usado para matar um tumor, por exemplo. ”
