Pour tous les biologistes cellulaires qui avaient une simple demande - des cellules équipées de faisceaux laser miniatures - une équipe de Harvard a en fait réussi. La possibilité de diriger de minuscules lasers au cours d'un voyage fantastique dans le corps pourrait permettre une série d'applications médicales, allant de l'administration de médicaments au suivi de la croissance tumorale.
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«Nous espérons utiliser la cellule comme une machine biologique, programmée par l'ADN interne, capable de délivrer un laser à une cible», explique Seok-Hyun (Andy) Yun, de l'école de médecine de Harvard.
La lumière est utilisée pour voir à l'intérieur des cellules avec des instruments tels que l'endoscope monocellulaire, mais son utilisation a été limitée à des endroits plus accessibles comme la peau, car sa lumière ne pénètre pas bien dans les tissus plus profonds. L'ajout de colorants fluorescents et de protéines aux cellules peut aider les scientifiques à les repérer et à les examiner plus en profondeur dans le corps. Mais ces procédures produisent un large spectre d’émissions, ce qui peut rendre difficile la sélection de données spécifiques aux cellules parmi toutes les émissions de fond produites par les molécules dans les tissus biologiques.
Entrez dans le microlaser, qui peut fournir un moyen beaucoup plus précis et plus pénétrant d’illustrer, de surveiller et peut-être même d’aider les cellules vivantes.
«Nous voulons réinventer le laser pour des applications médicales», a déclaré Yun. «Au lieu d'emprunter les lasers qui ont été inventés par l'industrie pour diverses autres raisons, nous les avons fabriqués avec un matériau biologique très petit, de sorte qu'il puisse être implanté ou injecté dans le corps sans trop de problèmes pour faire des applications basées sur la lumière. où il n’est pas pratique actuellement d’apporter de la lumière. ”
Un laser typique excite les atomes de sorte qu'ils émettent de la lumière à une longueur d'onde particulière, puis fait rebondir la lumière entre une paire de miroirs pour amplifier l'effet. L'un des miroirs est partiellement transparent, permettant à une partie de la lumière de s'échapper dans un faisceau étroit: c'est le laser. La clé pour construire un laser à l'intérieur d'une cellule consiste à créer un microrésonateur optique, une version miniature de cette configuration, qui confinera la lumière de sorte qu'elle circule à l'intérieur d'une petite sphère, où elle est piégée par réfraction à la surface de la sphère.
L'équipe de Yun l'a fait de deux manières différentes. Une version douce a été réalisée en injectant une petite goutte d’huile ou de lipides lipidiques naturels mélangés à un colorant fluorescent dans une cellule. Une version rigide utilisait à la place des billes de polystyrène fluorescentes. Dans chaque cas, la cellule entière était excitée par une impulsion d'une nanoseconde qui produisait de la lumière, qui était ensuite piégée à l'intérieur de la sphère.
"C'est comme quand on est dans une pièce vide et qu'une certaine fréquence vocale est résonnée", explique Yun. «Mais si la pièce est comprimée, si la forme et la taille changent, la fréquence de résonance est également modifiée. Nous faisons la même chose, en principe, avec l'échelle de fréquence optique. Certaines lumières résonnent et, lorsqu’elles circulent dans la cavité, elles s’amplifient et se transforment finalement en sortie laser. ”
L'extrême précision de cette sortie est une chose qui rend les minuscules lasers si prometteurs. Les versions de gouttelettes souples changent légèrement de forme lorsque sollicitées, et cette déformation provoque une modification visible du spectre d'émission du laser, de sorte que même des modifications infimes de la cellule peuvent être enregistrées avec précision. De même, l'équipe peut produire des lasers de longueurs d'ondes légèrement différentes en modifiant la taille des billes dures, ce qui leur permet de coder de manière unique une cellule individuelle et potentiellement d'étiqueter des milliers de cellules différentes dans un même tissu, selon la recherche publiée cette semaine dans Nature Photonics. .
Une image confocale d'une seule cellule adipeuse montre une grosse gouttelette lipidique (orange) et le noyau de la petite cellule (bleu). La gouttelette lipidique dans la cellule peut être utilisée comme laser naturel. (Matjaž Humar et Seok Hyun Yun) 
Une fibre optique est insérée dans un morceau de peau de porc pour stimuler la lumière laser générée par les adipocytes sous-cutanés. (Matjaž Humar et Seok Hyun Yun) 
Une image confocale montre les cellules (vert), leurs noyaux (bleu) et les gouttelettes d'huile injectées (rouge) qui agissent comme des lasers déformables dans les cellules. (Matjaž Humar et Seok Hyun Yun) 
Un certain nombre de cellules contenant des lasers (vert), qui peuvent être utilisées pour marquer de manière unique des milliers de cellules. (Matjaž Humar et Seok Hyun Yun) Les cellules vivantes sont le mécanisme de distribution idéal pour obtenir ces microlasers où ils peuvent faire le plus grand bien. Par exemple, les cellules immunitaires peuvent être ciblées pour répondre à des problèmes spécifiques, de sorte qu'elles puissent délivrer un laser pour se lier à une tumeur ou à un autre site pathologique. Une fois en place, une lumière laser finement réglée peut effectuer un grand nombre d'applications.
«Les pics spectraux du laser sont très sensibles à l'environnement local. Vous pouvez concevoir le laser de sorte qu'il détecte certains biomarqueurs et modifie la longueur d'onde de sortie lorsqu'ils changent même par petits décalages», note Yun. Cela signifie que le laser peut fournir des informations très détaillées sur les surfaces des cellules, les hormones et même la production de protéines de la cellule. Les lasers pourraient également être utilisés pour marquer des cellules individuelles et ainsi brosser un tableau beaucoup plus détaillé de la manière dont un objet plus grand, comme une tumeur, évolue dans le temps.
«Vous pouvez voir exactement où les cellules individuelles vont dans le corps, celles qui métastasent plus tôt que les autres, et étudier la croissance du rétrécissement d'une tumeur au niveau de la cellule individuelle», dit Yun.
Le plus prometteur de tous est peut-être le potentiel non seulement de surveiller certains aspects de la santé humaine mais également de les améliorer activement, ajoute-t-il: «Ces cellules équipées de laser pourraient également être chargées de médicaments activés par la lumière et être acheminées vers un pourrait être utilisé pour tuer une tumeur, par exemple. "
