Styring af biologiske cellers 3D-adfærd ved hjælp af laserholografiske teknikker

Et forskerhold ledet af professor YongKeun Park ved fysikafdelingen ved KAIST har udviklet en optisk manipulationsteknik, der frit kan styre positionen, orientering, og form af mikroskopiske prøver med komplekse former. Undersøgelsen er blevet offentliggjort online i Naturkommunikation den 22. maj.

Konventionelle optiske manipulationsteknikker kaldet "optisk pincet, "er blevet brugt som et uvurderligt værktøj til at udøve mikroskala-kraft på mikroskopiske partikler og manipulere tredimensionelle (3-D) positioner af partikler. Optisk pincet anvender en tæt fokuseret laser, hvis strålediameter er mindre end en mikrometer (1/ 100 hårtykkelse), som kan generere attraktiv kraft på tilgrænsende mikroskopiske partikler, der bevæger sig mod strålefokus. Kontrol af strålefokusets positioner gjorde det muligt for forskere at holde partiklerne og flytte dem frit til andre steder, så de opfandt navnet "optisk pincet, "og har været meget udbredt inden for forskellige områder af fysiske og biologiske undersøgelser.

Indtil nu, de fleste eksperimenter med optisk pincet er blevet udført for at fange sfæriske partikler, fordi fysiske principper let kan forudsige optiske kræfter og mikrosfærers reaktion. Til fangst af objekter med komplicerede former, imidlertid, konventionelle optiske pincetter fremkalder ustabil bevægelse af sådanne partikler, og kontrollerbar orientering af sådanne objekter er begrænset, som forhindrer styring af 3D-bevægelsen af ​​mikroskopiske objekter med komplekse former, såsom levende celler.

Forskergruppen har udviklet en ny optisk manipulationsteknik, der kan fange komplekse objekter med vilkårlige former. Denne teknik måler først 3D-strukturer af et objekt i realtid ved hjælp af et 3D-holografisk mikroskop, som deler det samme fysiske princip for røntgen CT-billeddannelse. Baseret på den målte 3D-form af objektet, forskerne beregner præcist lysets form, der stabilt kan kontrollere objektet. Når lysets form er den samme som objektets form, objektets energi minimeres, hvilket giver en stabil indfangning af objektet med den komplicerede form.

I øvrigt, ved at kontrollere lysets form for at have forskellige positioner, retninger, og former af objekter, det er muligt at styre objektets 3-D bevægelse frit og få objektet til at have en ønsket form. Denne proces ligner dannelsen af ​​en form til støbning af en statue med ønsket form, så forskerne opfandt navnet på den nuværende teknik "tomografisk form til optisk fangst (TOMOTRAP)." Holdet lykkedes med at fange individuelle menneskelige røde blodlegemer stabilt, rotere dem med ønskede orienteringer, fold dem i en L-form, og samling af to røde blodlegemer til en ny struktur. Ud over, tyktarmskræftceller med en kompleks struktur kunne fanges stabilt og roteres i ønskede orienteringer. Alt dette har været vanskeligt at realisere med de konventionelle optiske teknikker.

Professor Park sagde, "Vores teknik har den fordel, at den kontrollerer 3D-bevægelsen af ​​komplekse formede objekter uden at kende forudgående information om deres form og optiske egenskaber, og kan anvendes på forskellige områder, herunder fysik, optik, nanoteknologi, og lægevidenskab. "

Dr. Kyoohyun Kim, hovedforfatteren af ​​dette papir, bemærkede, at denne teknik kan inducere kontrolleret deformation af biologiske celler med ønskede former. "Denne tilgang kan også anvendes til overvågning i realtid af kirurgisk prognose for operationer på celleniveau til indfangning og deformering af celler samt subcellulære organeller, "tilføjede Kim.