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Piccoli dispositivi usano la luce per afferrare le cellule
Piccoli dispositivi ottici in grado di catturare piccole particelle da un liquido, usando la forza dei fotoni, potrebbero rendere possibile l'immagine e l'identificazione di cellule malate su un chip senza la necessità di microscopi. I nuovi tipi di trappole ottiche, sviluppati dai fisici dell'Università di Harvard, sono progettati per essere integrati con dispositivi microfluidici, alcuni dei quali sono attualmente in fase di sperimentazione clinica per la diagnosi del cancro e il monitoraggio della risposta dei pazienti alle terapie. I ricercatori di Harvard hanno dimostrato che le loro trappole ottiche possono fare su un chip ciò che convenzionalmente richiede un grande microscopio e un potente laser.
Forza leggera: Un chip di silicio rivestito con una pellicola d'oro (al centro), quando illuminato dalla luce laser che brilla attraverso un prisma, può estrarre particelle da una soluzione liquida che scorre sopra.
Le trappole ottiche, una tecnologia sviluppata negli anni '80, di solito costano decine di migliaia di dollari e richiedono potenti laser e microscopi per focalizzare la luce su particelle piccole come singoli atomi. I fotoni non hanno massa, ma hanno quantità di moto, e il trasferimento di questa quantità di moto a un atomo, una molecola o una cellula consente ai fisici di controllare il movimento della particella, tenendola assolutamente ferma per l'osservazione o tirandola per monitorarne la risposta. Dalla loro invenzione, le trappole ottiche sono state utilizzate per fare molti progressi scientifici di base. Ma il gruppo di Harvard, guidato dal professore associato di ingegneria elettrica Kenneth Crozier , spera di utilizzare trappole ottiche nei dispositivi diagnostici, rendendole economiche e abbastanza piccole da essere pratiche in medicina.
Le trappole ottiche sviluppate da Crozier con i ricercatori di Harvard Ethan Schonbrun e Kai Wang possono intrappolare le particelle con la stessa forza dei sistemi più complessi. Crozier afferma che le trappole compatte potrebbero essere integrate nella microfluidica e utilizzate per selezionare e visualizzare le cellule malate nel sangue, ad esempio. I chip microfluidici trasportano le cellule in un fluido e in genere controllano i loro movimenti utilizzando barriere fisiche e variazioni di pressione e tensione. Le trappole ottiche di Crozier potrebbero trascinare delicatamente le cellule sulla superficie di un chip per l'osservazione e quindi essere utilizzate per ordinare le cellule in base alla loro identità. Il gruppo ha presentato le proprie proposte al conferenza annuale del Società Ottica d'America questo mese a San Jose, CA.
Utilizzando tecniche di produzione comuni all'industria dei semiconduttori, i ricercatori di Harvard hanno modellato chip con due design diversi. Uno è un chip di silicio modellato con un anello con un raggio di cinque micrometri. Quando illuminata da un laser, la luce risuona attorno all'anello, generando una forza ottica che può estrarre le particelle dal liquido che scorre sopra il chip. Un altro è un chip modellato con matrici di 64 modelli bullseye. Ognuno di questi può, quando illuminato, intrappolare una particella che scorre. Inoltre, questi modelli focalizzano la luce in un modo molto simile a un microscopio. Ognuno ha la funzione di un microscopio confocale e potrebbe essere utilizzato per ottenere un'immagine 3D di una cellula, afferma Crozier.
Potere di focalizzazione: Questo chip, montato con graffette su un obiettivo del microscopio per l'osservazione, è modellato con pellicole d'oro larghe 500 nanometri. Quando la luce brilla sulle linee d'oro attraverso un prisma sotto il chip, forma onde di energia superficiale che possono intrappolare le particelle e spingerle avanti.
Se vuoi fare lo smistamento delle celle, l'ottica al silicio è un buon percorso, dice Tom Perkins , un fisico presso il National Institute of Standards and Technology di Boulder, CO. Il vantaggio dei sistemi al silicio rispetto alle trappole ottiche convenzionali, afferma Perkins, è la compatibilità sia con la microfluidica che con i metodi di produzione già in uso per produrre chip per computer.
Un terzo progetto di Crozier si basa su strutture d'oro che possono generare una forma di energia luminosa chiamata plasmoni. Quando viene illuminata una pellicola liscia d'oro, la luce si accoppia alla superficie sotto forma di onde superficiali chiamate plasmoni; le forze generate da queste onde sono molto localizzate e molto forti. Crozier ha dimostrato che lunghe pellicole d'oro affusolate modellate su chip di silicio possono, quando illuminate dalla luce che brilla attraverso un piccolo prisma, essere usate per tirare una particella verso il basso e poi spingerla lungo la superficie dell'oro. Modificando l'angolo della luce, è possibile controllare la velocità di una particella. Questo tipo di struttura sarà particolarmente utile per l'ordinamento delle cellule, afferma Crozier.
Questi tipi di sistemi potrebbero eventualmente sostituire i dispositivi di laboratorio clinico chiamati citometri a flusso, afferma Holger Schmidt , professore di ingegneria elettrica e direttore del Keck Center for Nanoscale Optofluidics presso l'Università della California, Santa Cruz. I citometri a flusso di oggi utilizzano sistemi ottici ingombranti per separare le cellule, ad esempio, in un campione di sangue in base alle loro dimensioni e forma. L'ottica a scala di chip potrebbe fare la stessa cosa ma costerebbe molto meno e potrebbe essere portatile, consentendo loro di essere portati al capezzale di un paziente. Schmidt, che ha sviluppato sistemi ottici compatti e sensibili per intrappolare gli organelli cellulari e rilevare singole particelle di virus, afferma che queste trappole ottiche compatte potrebbero essere sul mercato in appena tre-cinque anni.