Para todos aquellos biólogos celulares que tenían una simple solicitud (células equipadas con rayos láser en miniatura), un equipo de Harvard lo ha hecho realidad. La capacidad de dirigir láseres pequeños en un viaje fantástico dentro del cuerpo podría permitir un conjunto de aplicaciones médicas, desde administrar medicamentos hasta rastrear el crecimiento tumoral.
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"Esperamos usar la célula como una máquina biológica, programada por el ADN interno, que puede enviar un láser a un objetivo", explica Seok-Hyun (Andy) Yun, de la Facultad de Medicina de Harvard.
La luz se usa para ver dentro de las células con instrumentos como el endoscopio de una sola célula, pero su uso se ha limitado a ubicaciones más accesibles como la piel, porque su luz no penetra bien en el tejido más profundo. Agregar colorantes fluorescentes y proteínas a las células puede ayudar a los científicos a detectarlas y examinarlas más adentro del cuerpo. Pero esos procedimientos producen un amplio espectro de emisiones, lo que puede dificultar la selección de datos específicos de células de entre todas las emisiones de fondo producidas por las moléculas en el tejido biológico.
Ingrese al microlaser, que puede proporcionar una forma mucho más precisa y penetrante de obtener imágenes, monitorear y quizás incluso ayudar a las células vivas.
"Queremos reinventar el láser para aplicaciones médicas", dice Yun. “En lugar de tomar prestados los láseres que han sido inventados por la industria por varias otras razones, lo hemos hecho con un material biológico y muy pequeño, para que pueda implantarse o inyectarse en el cuerpo con pocos problemas para hacer aplicaciones basadas en la luz. donde actualmente no es práctico entregar luz ".
Un láser típico excita los átomos para que emitan luz a una longitud de onda particular, luego hace rebotar la luz entre un par de espejos para amplificar el efecto. Uno de los espejos es parcialmente transparente, lo que permite que salga algo de luz en un haz estrecho: ese es el láser. La clave para construir un láser dentro de una celda es crear un microresonador óptico, una versión en miniatura de esta configuración que confina la luz para que circule dentro de una esfera pequeña, donde queda atrapada por la refracción en la superficie de la esfera.
El equipo de Yun hizo esto de dos maneras diferentes. Se hizo una versión blanda inyectando una pequeña gota de aceite o lípidos grasos naturales mezclados con un tinte fluorescente en una célula. Una versión dura utilizaba cuentas de poliestireno fluorescente. En cada caso, la célula entera estaba excitada por un pulso de nanosegundos que producía luz, que luego quedaba atrapada dentro de la esfera.
"Es como cuando estás en una habitación vacía y cierta frecuencia de voz resuena", explica Yun. “Pero si se aprieta la habitación, si la forma y el tamaño cambian, la frecuencia de resonancia también se altera. Hacemos lo mismo, en principio, con la escala de frecuencia óptica. Cierta luz resuena y, a medida que circula por la cavidad, se amplifica y finalmente se convierte en la salida del láser ”.
La precisión extrema de esa salida es una cosa que hace que los pequeños láseres sean tan prometedores. Las versiones de gotas suaves cambian de forma muy ligeramente cuando están bajo tensión, y esa deformación hace un cambio visible en el espectro de emisión del láser, de modo que incluso los cambios más pequeños en la celda se pueden registrar con gran detalle. De manera similar, el equipo puede producir láseres de longitudes de onda ligeramente diferentes cambiando el tamaño de las cuentas duras, lo que les permite codificar de forma única un color de una célula individual y potencialmente etiquetar miles de células diferentes dentro de un solo tejido, según la investigación publicada esta semana en Nature Photonics .
Una imagen confocal de una sola célula grasa muestra una gran gota de lípidos (naranja) y el núcleo de la célula pequeña (azul). La gota de lípidos dentro de la célula se puede usar como un láser natural. (Matjaž Humar y Seok Hyun Yun) 
Se inserta una fibra óptica en un pedazo de piel de cerdo para estimular la luz láser generada por las células grasas subcutáneas. (Matjaž Humar y Seok Hyun Yun) 
Una imagen confocal muestra células (verde), sus núcleos (azul) y las gotas de aceite inyectadas (rojo) que actúan como láseres deformables dentro de las células. (Matjaž Humar y Seok Hyun Yun) 
Una cantidad de celdas que contienen láseres (verde), que se pueden usar para etiquetar de manera única miles de celdas. (Matjaž Humar y Seok Hyun Yun) Las células vivas son el mecanismo de entrega ideal para obtener estos microlasers donde pueden hacer el mayor bien. Por ejemplo, las células inmunes pueden ser dirigidas para responder a problemas específicos, por lo que podrían administrar un láser para unirse con un tumor u otra ubicación de la enfermedad. Una vez en su lugar, una luz láser finamente ajustada podría realizar cualquier cantidad de aplicaciones.
"Los picos espectrales del láser son muy sensibles al entorno local, y puede diseñar el láser para que detecte ciertos biomarcadores y cambie la longitud de onda de salida cuando cambian incluso en pequeños cambios", señala Yun. Esto significa que el láser puede entregar información altamente detallada sobre las superficies celulares, las hormonas e incluso la producción de proteínas de la célula. Los láseres también podrían usarse para etiquetar células individuales y, por lo tanto, pintar una imagen mucho más detallada de cómo un objeto más grande, como un tumor, cambia con el tiempo.
"Podrías ver exactamente dónde van las células individuales en el cuerpo, cuáles hacen metástasis antes que otras, y estudiar el crecimiento de la contracción de un tumor a nivel celular individual", dice Yun.
Quizás lo más prometedor de todo es el potencial no solo de monitorear aspectos de la salud humana, sino de mejorarlos activamente, agrega: "Estas células equipadas con láser también podrían cargarse con fármacos activados por la luz y entregarse en un lugar específico, donde podría usarse para matar un tumor, por ejemplo ".
