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Pequeños dispositivos usan luz para agarrar celdas
Diminutos dispositivos ópticos que pueden extraer pequeñas partículas de un líquido, utilizando la fuerza de los fotones, podrían hacer posible obtener imágenes e identificar células enfermas en un chip sin la necesidad de microscopios. Los nuevos tipos de trampas ópticas, desarrolladas por físicos de la Universidad de Harvard, están diseñadas para integrarse con dispositivos de microfluidos, algunos de los cuales se encuentran actualmente en ensayos clínicos para diagnosticar el cáncer y monitorear la respuesta del paciente a las terapias. Los investigadores de Harvard han demostrado que sus trampas ópticas pueden hacer en un chip lo que convencionalmente requiere un gran microscopio y un potente láser.
Fuerza de la luz: Un chip de silicio recubierto con una película de oro (centro), cuando se ilumina con luz láser que brilla a través de un prisma, puede extraer partículas de una solución líquida que fluye sobre la parte superior.
Las trampas ópticas, una tecnología desarrollada en la década de 1980, suelen costar decenas de miles de dólares y requieren potentes láseres y microscopios para enfocar la luz en partículas tan pequeñas como átomos individuales. Los fotones no tienen masa, pero tienen impulso, y transferir este impulso a un átomo, una molécula o una célula permite a los físicos controlar el movimiento de la partícula, manteniéndola absolutamente quieta para observación o tirando de ella para monitorear su respuesta. Desde su invención, las trampas ópticas se han utilizado para realizar muchos avances científicos básicos. Pero el grupo de Harvard, dirigido por un profesor asociado de ingeniería eléctrica Kenneth Crozier , espera usar trampas ópticas en dispositivos de diagnóstico, haciéndolos baratos y lo suficientemente pequeños como para ser prácticos en medicina.
Las trampas ópticas desarrolladas por Crozier con los investigadores de Harvard Ethan Schonbrun y Kai Wang pueden atrapar partículas con la misma fuerza que los sistemas más complejos. Crozier dice que las trampas compactas podrían integrarse en microfluidos y usarse para clasificar y obtener imágenes de células enfermas en la sangre, por ejemplo. Los chips de microfluidos transportan las células en un fluido y, por lo general, controlan sus movimientos mediante barreras físicas y variaciones de presión y voltaje. Las trampas ópticas de Crozier podrían empujar suavemente las células hacia la superficie de un chip para su observación y luego usarse para clasificar las células en función de su identidad. El grupo presentó sus avances en el conferencia anual de El Sociedad Óptica de América este mes en San José, CA.
Utilizando técnicas de fabricación comunes a la industria de los semiconductores, los investigadores de Harvard crearon chips con dos diseños diferentes. Uno es un chip de silicio con un patrón de anillo con un radio de cinco micrómetros. Cuando se ilumina con un láser, la luz resuena alrededor del anillo y genera una fuerza óptica que puede extraer partículas del líquido que fluye por encima del chip. Otro es un chip modelado con matrices de 64 patrones de diana. Cada uno de estos puede, cuando se ilumina, atrapar una partícula que fluye. Además, estos patrones enfocan la luz de una manera muy similar a la de un microscopio. Cada uno tiene la función de un microscopio confocal y podría usarse para obtener una imagen tridimensional de una célula, dice Crozier.
Poder de enfoque: Este chip, montado con clips en un objetivo de microscopio para su observación, está modelado con películas de oro de 500 nanómetros de ancho. Cuando la luz brilla sobre las líneas doradas a través de un prisma debajo del chip, forma ondas de energía de superficie que pueden atrapar partículas y empujarlas.
Si desea clasificar las células, la óptica de silicio es un buen camino, dice Tom Perkins , físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, CO. La ventaja de los sistemas de silicio sobre las trampas ópticas convencionales, dice Perkins, es la compatibilidad tanto con los microfluidos como con los métodos de fabricación que ya existen para fabricar chips de computadora.
Un tercer diseño de Crozier se basa en estructuras de oro que pueden generar una forma de energía luminosa llamada plasmones. Cuando se ilumina una película de oro suave, la luz se acopla a la superficie en forma de ondas superficiales llamadas plasmones; las fuerzas generadas por estas ondas son muy localizadas y muy fuertes. Crozier ha demostrado que, cuando se iluminan con la luz que brilla a través de un pequeño prisma, las películas de oro largas y ahusadas con dibujos de chips de silicio se pueden utilizar para tirar de una partícula hacia abajo y luego empujarla a lo largo de la superficie del oro. Al cambiar el ángulo de la luz, es posible controlar la velocidad de una partícula. Este tipo de estructura será particularmente útil para la clasificación de células, dice Crozier.
Estos tipos de sistemas podrían eventualmente reemplazar los dispositivos de laboratorio clínico llamados citómetros de flujo, dice Holger Schmidt , profesor de ingeniería eléctrica y director del Centro Keck de Optofluídica a nanoescala de la Universidad de California, Santa Cruz. Los citómetros de flujo actuales utilizan sistemas ópticos voluminosos para separar las células en, digamos, una muestra de sangre en función de su tamaño y forma. La óptica a escala de chip podría hacer lo mismo, pero costaría mucho menos y podría ser portátil, lo que permitiría llevarla a la cabecera del paciente. Schmidt, que ha desarrollado sistemas ópticos compactos y sensibles para atrapar orgánulos celulares y detectar partículas de virus individuales, dice que estas trampas ópticas compactas podrían estar en el mercado en tan solo tres a cinco años.