Se os engenheiros de Stanford conseguirem, a pesquisa biológica pode em breve ser transformada por uma nova classe de sondas emissoras de luz, pequena o suficiente para ser injetada em células individuais sem causar danos ao hospedeiro. Bem-vindo à biofotônica, uma disciplina na confluência da engenharia, biologia e medicina em que dispositivos baseados em luz - lasers e diodos emissores de luz (LEDs) - estão abrindo novos caminhos no estudo e na influência das células vivas.

A equipe descreveu sua investigação em um artigo publicado online em 13 de fevereiro pelo jornal Nano Letras . É o primeiro estudo a demonstrar que ressonadores de luz sofisticados podem ser inseridos dentro das células sem danificá-las. Mesmo com um ressonador embutido, uma célula é capaz de funcionar, migrar e reproduzir normalmente.

Aplicações e implicações

Os pesquisadores chamam seu dispositivo de "nanobeam, "porque se assemelha a uma viga I de aço com uma série de orifícios redondos gravados no centro. Essas vigas, Contudo, não são enormes, mas mede apenas alguns mícrons de comprimento e apenas algumas centenas de nanômetros de largura e espessura. Parece um pouco com uma peça de um antigo conjunto de ereções. Os orifícios através dos feixes agem como uma sala de espelhos em nanoescala, focalizando e amplificando a luz no centro do feixe no que são conhecidas como cavidades fotônicas. Esses são os blocos de construção para lasers e LEDs em nanoescala.

"Dispositivos como as cavidades fotônicas que construímos são possivelmente os ingredientes mais diversos e personalizáveis ​​em fotônica, "disse o autor sênior do jornal, Jelena Vuckovic, professor de engenharia elétrica. "As aplicações vão desde a física fundamental até nanolasers e biossensores que podem ter um impacto profundo na pesquisa biológica."

No nível celular, um nanobeam atua como uma agulha capaz de penetrar nas paredes celulares sem ferir. Uma vez inserido, o feixe emite luz, produzindo uma notável variedade de aplicações e implicações de pesquisa. Enquanto outros grupos mostraram que é possível inserir nanotubos simples e nanofios elétricos em células, ninguém ainda havia percebido componentes ópticos tão complicados dentro das células biológicas.

"Acreditamos que esta é uma mudança dramática em relação aos aplicativos existentes e permitirá maiores oportunidades para compreender e influenciar a biologia celular, "disse o primeiro autor do jornal, Gary Shambat, candidato ao doutorado em engenharia elétrica. Shambat trabalha no Nanoscale and Quantum Photonics Lab dirigido por Vuckovic.

Ferro em um ímã

Nesse caso, as células estudadas vieram de um tumor de próstata, indicando possível aplicação para a sonda na pesquisa do câncer. O uso primário e mais imediato seria na detecção em tempo real de proteínas específicas dentro das células, mas a sonda pode ser adaptada para detectar quaisquer biomoléculas importantes, como DNA ou RNA.

Para detectar essas moléculas-chave, os pesquisadores revestem a sonda com certas moléculas orgânicas ou anticorpos que são conhecidos por atrair as proteínas-alvo, assim como o ferro em um ímã. Se as proteínas desejadas estiverem presentes na célula, eles começam a se acumular na sonda e causar uma mudança leve, mas detectável, no comprimento de onda da luz emitida pelo dispositivo. Essa mudança é uma indicação positiva de que a proteína está presente e em que quantidade.

"Digamos que você tenha um estudo que está interessado em saber se uma determinada droga produz ou inibe uma proteína específica. Nosso biossensor diria definitivamente se a droga estava funcionando e quão bem com base na cor da luz da sonda. Seria bastante uma ferramenta poderosa, "explicou Sanjiv Sam Gambhir, MD, co-autor do artigo e presidente do Departamento de Radiologia da Stanford School of Medicine, bem como diretor do Centro Canário de Stanford para a detecção precoce do câncer.

Como tal, Sensores ópticos em nanoescala incorporáveis ​​representariam um desenvolvimento chave na busca por terapias de câncer específicas para pacientes - muitas vezes chamadas de medicina personalizada - nas quais os medicamentos são direcionados ao paciente com base na eficácia.

Uma estrutura inteligente

Estruturalmente, o novo dispositivo é um sanduíche de camadas extremamente finas de arsenieto de gálio semicondutor alternadas com camadas igualmente finas de cristal emissor de luz, uma espécie de combustível fotônico conhecido como pontos quânticos. A estrutura é feita de chips ou wafers, muito parecido com as esculturas são esculpidas na rocha. Uma vez esculpido, os dispositivos permanecem presos ao substrato espesso.

Shambat e seus colegas engenheiros têm trabalhado em dispositivos ópticos semelhantes para uso em ultrarrápidos, aplicativos de computador ultraeficientes em que ter dispositivos imobilizados em chips e wafers não importa muito, pois eles serão integrados à microeletrônica.

Para aplicações biológicas, Contudo, a espessura, substrato pesado apresenta um sério obstáculo para a interface com células individuais. As nanocavidades subjacentes e muito importantes são travadas em posição no material rígido e incapazes de penetrar nas paredes celulares.

A descoberta de Shambat veio quando ele foi capaz de descascar os nano feixes fotônicos, deixando a bolacha volumosa para trás. Ele então colou o dispositivo fotônico ultrafino a um cabo de fibra óptica com o qual direciona a sonda em forma de agulha para dentro e para dentro da célula.

De forma similar, antecipando que o arsenieto de gálio pode ser tóxico para as células, Shambat também inventou uma maneira inteligente de encapsular seus dispositivos de uma forma fina, revestimento eletricamente isolante de alumina e zircônia. O revestimento tem duas finalidades:protege a célula do arsenieto de gálio potencialmente tóxico e protege a sonda da degradação no ambiente da célula.

Resultados "impressionantes"

Uma vez inserido na célula, a sonda emite luz, que pode ser observado de fora. Para engenheiros, isso significa que quase qualquer aplicação atual ou uso desses poderosos dispositivos fotônicos podem ser traduzidos para o ambiente anteriormente fora dos limites do interior da célula.

Em uma descoberta que os autores descrevem como impressionante, eles carregaram seus nanofuxos em células e observaram enquanto as células cresciam, migrou em torno do ambiente de pesquisa e reproduziu. Cada vez que uma célula se divide, uma das células filhas herdou o nano feixe do pai e o feixe continuou a funcionar conforme o esperado.

Essa herdabilidade libera os pesquisadores para estudar células vivas por longos períodos de tempo, uma vantagem de pesquisa que não é possível com as técnicas de detecção existentes, que requerem que as células estejam mortas ou fixadas no lugar.

"Nossas sondas em nanoescala podem residir nas células por longos períodos de tempo, potencialmente fornecendo feedback de sensor ou dando sinais de controle para as células ao longo do caminho, - disse Shambat. - Rastreamos uma célula por oito dias. É muito tempo para um estudo de uma única célula. "