Miniaturowe lasery w komórkach przyspieszają obrazowanie w badaniach biomedycznych
Obserwacja zachowań komórek w organizmie może dostarczyć odpowiedzi na wiele pytań z zakresu biomedycyny i pomóc nam w lepszym zrozumieniu procesów naciekania guzów nowotworowych oraz przerzutów. Istniejące metody oznaczania komórek pozwalają jednak na wyróżnienie zaledwie kilku rodzajów zróżnicowanych komórek lub wiążą się z koniecznością przeprowadzenia destrukcyjnego odczytu, który prowadzi do śmierci komórek w czasie tego procesu.
Miniaturowe lasery emitujące światło o wyjątkowej częstotliwości
Naukowcy skupieni wokół finansowanego przez ERBN projektu ABLASE opracowali niewielkie lasery, charakteryzujące się wielkością mniejszą od objętości jądra komórkowego, które mogą być skutecznie wprowadzane do komórek. „Naszym celem było oznaczanie komórek w wyjątkowy sposób, który nie zmienia ich właściwości ani zachowań”, wyjaśnia stypendysta ERBN i główny badacz Malte Gather, profesor na Uniwersytecie St Andrews. Te mikrolasery składają się z dysków półprzewodnikowych lub biokompatybilnych korali zawierających zielony barwnik fluorescencyjny. Po wzbudzeniu przy pomocy światła emitują one światło laserowe, stanowiące połączenie kilku wąskopasmowych pików, których dokładny kształt jest uzależniony od wielkości korala. Dzięki wprowadzaniu do komórek korali o różnych rozmiarach, naukowcy są w stanie generować wzorce emisji światła, które pozwalają na dokładne rozróżnienie każdego lasera – na podobnej zasadzie opierają się między innymi systemy kodów kreskowych, wykorzystywanych do identyfikacji i śledzenia paczek. Stosując metody wykorzystywane dotychczas w biologii molekularnej do wprowadzania obcego kodu DNA do komórek, naukowcy projektu ABLASE byli w stanie wprowadzić lasery do komórek różnych rodzajów, między innymi do tych biorących udział w odpowiedzi immunologicznej organizmu. Zastosowanie tej metody umożliwia wprowadzanie korali laserowych do dziesiątek tysięcy komórek jednocześnie. Zespół naukowców zajął się następnie badaniem energii wymaganej przez lasery w celu emisji światła, a także rozmiarów, stabilności i biokompatybilności. W najnowszych wersjach rozwiązania opracowanego przez zespół emisja światła rozpoczyna się od niewielkich poziomów światła wzbudzającego, znacznie niższych niż energie wykorzystywane przez biologów w wielu współczesnych mikroskopach – pozwala to na zmniejszenie wpływu na komórki. W wyniku badań okazało się również, że lasery komórkowe pozostają stabilne i nie są usuwane z komórek podczas różnych procesów komórkowych. Co ciekawe, lasery trafiają do nowych komórek w czasie podziału bez widocznego wpływu na ich kluczowe funkcje, co pozwala na skuteczne śledzenie komórek przez wiele pokoleń. Dzięki wprowadzeniu wielu laserów do komórek macierzystych, uczestnicy projektu ABLASE mogą obecnie śledzić wszystkie komórki powstałe w wyniku podziałów, jednocześnie znakując większą liczbę komórek, niż było dotychczas możliwe.
Znaczenie badań i perspektywy na przyszłość
Badania naukowe przeprowadzone w ramach projektu ABLASE przyczyniły się do rozwoju zastosowań laserów komórkowych w badaniach biomedycznych, umożliwiając w ten sposób pozyskiwanie nowych danych i informacji na temat podstawowych procesów biologicznych, takich jak migracja komórek w organizmie. „Wykorzystanie laserów jednokomórkowych jest nowatorską koncepcją, w związku z czym uczestnicy projektu ABLASE skupiali się na potwierdzaniu skuteczności koncepcji, podstawowych działaniach badawczo-rozwojowych, a także stawianiu pierwszych kroków w kierunku praktycznych zastosowań nowego rozwiązania”, podkreśla Gather. Plany na przyszłość obejmują dalszą miniaturyzację laserów, co powinno uprościć proces osadzania ich w komórkach, a także opracowanie bardziej wydajnego procesu produkcji laserów. Ponadto badacze projektu ABLASE mają nadzieję przetestować lasery in vivo i zwiększyć ich osiągi w celu poszerzenia możliwego zakresu zastosowań. Kolejnym krokiem będzie próba doprowadzenia do tego, by lasery reagowały na zmiany w markerach biologicznych wewnątrz komórki. Bez wątpienia technologia laserów jednokomórkowych wymaga szeregu usprawnień, by było możliwe jej pełne zastosowanie w praktyce. Niemniej jednak już teraz mają one ogromny potencjał, jeżeli chodzi o zastosowania związane z oznaczaniem komórek, a także umożliwiają wykrywanie w przypadku żywych komórek i tkanek. Od chwili rozpoczęcia projektu ABLASE, inne grupy badawcze na całym świecie wniosły znaczący wkład w nowo powstałą dziedzinę laserów jednokomórkowych, wzmacniając jej potencjał rozwojowy.
Słowa kluczowe
ABLASE, laser, koral, śledzenie komórek, laser jednokomórkowy