Forskere tager optisk enhed ud af laboratoriet og ind i klinikken for at opdage kræft i de tidligste stadier

I et blad udgivet i Naturvidenskabelige rapporter , et team af forskere ved Worcester Polytechnic Institute (WPI) har demonstreret, hvordan en enhed, der bruger lysstråler til at gribe og manipulere små genstande, inklusive individuelle celler, kan miniaturiseres, åbne døren for at skabe bærbare enheder, der er små nok til at blive indsat i blodbanen til at fange individuelle kræftceller og diagnosticere kræft i de tidligste stadier.

Teknikken, kendt som optisk pincet, bruger optiske stråler af laserlys til at skabe et attraktivt kraftfelt, der kan holde, eller fælde, små genstande på plads uden fysisk kontakt. Traditionel optisk pincet fokuserer lyset med en stor og dyr linse, hvilket gør enheden omfangsrig og modtagelig over for miljøudsving. Disse begrænsninger gør en optisk pincet umulig at bruge uden for laboratoriet.

I deres Videnskabelige rapporter papir ("Objektiv linsefri fiberbaseret positionsdetektion med nanometeropløsning i et fiberoptisk fældesystem, ") et hold ledet af Yuxiang "Shawn" Liu, adjunkt i maskinteknik, forklarer, hvordan det har været i stand til at erstatte linserne med bittesmå optiske fibre og miniaturisere enheden.

"I øjeblikket, at teste for kræft, du skal vente, indtil der er en synlig tumor eller en tilstrækkelig mængde kræftceller i en blodprøve, sagde han. På det tidspunkt, kræften kan være fremskreden. Men kræft starter med enkeltceller. Hvis lægerne kunne adskille disse celler fra millioner af blodceller, vi kunne opdage kræft meget hurtigere - på et tidspunkt, hvor det ikke er synligt ved hjælp af andre teknikker. Dette kan fremskynde diagnoser med måneder eller endda år, og gøre behandlingen meget mere vellykket."

Først demonstreret i 1980'erne, optisk pincet er blevet et kritisk værktøj for forskere i biologi, kemi, og fysik til at udføre eksperimenter på molekylær og cellulær skala. Da de kan fange små genstande og holde dem på plads, væk fra kontakt med noget, der kan ændre deres tilstand eller funktion, pincet tillader materialer eller individuelle celler at blive studeret uden at fjerne dem fra deres oprindelige miljøer.

Selvom enhederne kunne være nyttige i marken (til test af vand- eller jordprøver, for eksempel) eller på hospitaler og lægekontorer, deres nuværende design gør dem for store (ca. 2 til 3 fod høje og omkring 2 fod brede) og for følsomme (deres nøjagtighed kan blive påvirket af en let luftstrøm) til at være nyttige uden for et stærkt kontrolleret laboratoriemiljø.

For at gøre enheden mindre, lettere, og mere bærbar, Liu besluttede at erstatte linsen med optiske glasfibre. Men da en optisk fiber er ekstremt tynd (ca. bredden af ​​et menneskehår), dens spids er for lille til at fungere som en linse, så en enkelt fiber kan ikke fokusere en laserstråle intenst nok til at skabe en optisk fælde. Liu fandt ud af, at han kunne skabe en tredimensionel optisk fælde ved at bruge to fibre til at projicere skærende lysstråler. På denne måde kunne han holde en lille sfærisk genstand på plads og samtidig bestemme dens position med nanometer nøjagtighed og måle styrken af ​​fældens greb om objektet.

"Dette beviser, at vi ikke har brug for linsen for at skabe fælden, " sagde Liu, som har arbejdet på dette projekt i omkring 12 år. "Hvis vi vil have en lille, bærbart system, vi behøver kun optiske fibre til at fange og måle cellerne."

Ved at bruge optiske fibre, Liu sagde, at han kan bygge en optisk pincet, der er mere robust og 100 gange mindre end traditionelle versioner. Med yderligere forskning, han sagde, at han tror på, at han kan skabe en klinisk enhed på størrelse med en almindelig sprøjte, der kunne indsættes i et blodkar for at fange individuelle celler. Han sagde, at pincetten endda kunne være en del af et frimærkestørrelse lab-on-a-chip, som integrerer nogle få laboratoriefunktioner på et integreret kredsløb. Chipsene kunne sælges på apotekerne, så patienterne kunne teste sig selv derhjemme.

Liu samarbejder med Qi Wen, lektor i fysik, og Songbai Ji, lektor i biomedicinsk teknik. Ph.d.-studerende Chaoyang Ti (mekanik), Yao Shen (mekanik), og Minh-Tri Ho-Thanh (fysik) er også en del af forskerholdet.

Mens de kliniske anvendelser af den fiberoptiske pincet kan være flere år tilbage, forskerholdet arbejder på at forfine sin enhed yderligere, skabe en ny pakke til at beskytte de sprøde spidser af de optiske fibre og for at gøre pincetten mere brugervenlig for andre forskere. De arbejder også på at finde små, lavpris laserkilder og optiske detektorer.