Das Licht reinlassen: Mikrolaser im Körper wegweisend für bessere Zellüberwachung und zukünftige Therapien
Da Laser traditionell aus Physiklaboratorien stammen und normalerweise für Fertigungs- und Produktlösungen, angefangen bei Industrierobotern bis hin zu DVD-Playern eingesetzt werden, ist es vielleicht nicht überraschend, dass man sie oft als technische Geräte betrachtet. Doch das ist sehr irreführend. Ein Laser bringt eigentlich drei Elemente zusammen: Einen optischen Hohlraum, eine externe Energiequelle und ein Verstärkungsmaterial, welches das Licht verstärkt. Das Experimentieren mit diesen Grundkomponenten eröffnet in hohem Maße Möglichkeiten zur kreativen Entwicklung und Nutzung von Lasern, wie das EU-finanzierte LIVINGLASER-Projekt gezeigt hat. Die Einführung von Biolasern LIVINGLASER baut auf früheren Arbeiten auf, bei denen Laser in biologische Systeme integriert wurden. Auf diese Weise können Laser als Sensoren funktionieren. Dadurch wird ein besseres Verständnis von zellulären Prozessen ermöglicht, insbesondere wenn diese mit fluoreszierenden Farbstoffen kombiniert werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die Kollokation innerhalb von Zellen und Geweben eine langfristige Messung und Verfolgung von Organismen ermöglicht und damit auch eine verbesserte Diagnostik. Darüber hinaus vereinfacht die Entwicklung von Lasern aus biokompatiblen, biologisch abbaubaren und sogar lebenden Materialien die Implantation in Organismen. Das Projektteam demonstrierte den Betrieb eines Lasers innerhalb einer lebenden menschlichen Zelle. Der Laser war zehnmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars und bestand aus festen Polystyrolperlen. Projektkoordinator Dr. Matjaz Humar erklärt dazu: „Die Perlen enthielten einen fluoreszierenden Farbstoff, wobei die Oberfläche der Perle das Licht auf das Innere der Kugel begrenzte. Dadurch wurde der notwendige optische Hohlraum geschaffen. Wir haben lebende Zellen in Kultur mit diesen Laserperlen gefüttert, die die Laser innerhalb von wenigen Stunden verschlungen haben. Danach betrieben wir die Laser, indem wir sie mit Außenlicht beleuchteten, ohne die Zellen zu beschädigen.“ Da die Perlenlaser in jeder Zelle das Licht leicht abweichend abgeben, bieten sie einen einzigartigen Marker, der leicht nachgewiesen und für die Zellenmarkierung und als sehr empfindlicher Sensor verwendet werden kann. Dr. Humar erläutert: „Wir haben die Veränderung des Brechungsindex gemessen, der direkt mit der Konzentration der chemischen Bestandteile in den Zellen, wie DNA, Proteinen und Lipiden, zusammenhängt.“ Er behauptet weiter, dass „bei einem sorgfältigen Laser-Design bis zu eine Billion Zellen eindeutig markiert werden könnten. Das ist jede einzelne Zelle im menschlichen Körper.“ Als Alternative benutzte das Team auch eine Mikropipette, um ein fluoreszierende Farbstoffe enthaltendes Tröpfchen Öl zu injizieren, das dann innerhalb von Zellen als ein Laser funktioniert. Die Zelle verformte das Tröpfchen und die zellulären Kräfte, die durch Prozesse wie Teilung und Migration verursacht werden, wurden sehr genau verfolgt und gemessen, indem das abgegebene Licht analysiert wurde. Indem das Team das Konzept eines Biolasers weiter ausführte, gelang ihm – zu seiner Überraschung- das Lasern innerhalb von Fettzellen. Wie Dr. Humar wieder erklärt: „Fettzellen enthalten bereits Lipidtröpfchen, die als Hohlräume dienen können und natürliche Laser erzeugen. Das bedeutet, jeder von uns hat bereits Millionen von Lasern in seinem Fettgewebe, die nur darauf warten, aktiviert zu werden, um Laserlicht zu produzieren.“ Um die Nutzung der natürlichen Kräfte zu erweitern, anstatt die Fettzellen einzufärben, war das Team in der Lage, mit Zellen zu experimentieren, die grüne fluoreszierende Proteine produzieren und es verwendete Biolumineszenz, eine natürliche Lichtquelle. Einen Schritt weiter für viele diagnostische und therapeutische Optionen Die Optionen von LIVINGLASER zur Implantation, Injektion oder Übernahme von natürlich vorkommenden Lasern in verschiedenen Geweben bieten eine Reihe von therapeutischen Möglichkeiten. Sie könnten möglicherweise eine Fernerkundung des Inneren des menschlichen Körpers bieten und damit die Notwendigkeit von Gewebeproben vermeiden. Sie könnten auch für die gezielte Arzneimittelabgabe verwendet werden, wobei die Laser lichtempfindliche Medikamente aktivieren und so Mikroben oder Krebszellen töten. Darüber hinaus wird die Markierung einzelner Zellen die Untersuchung der Zellmigration einschließlich der Krebsmetastase erleichtern. Zur Unterstützung der Technologie hat LIVINGLASER eine Mikroskopie mit Superauflösung entwickelt, die sich besonders für die Tiefenabbildung von biologischen Geweben eignet. Das Team hat auch biologisch abgeleitete oder biokompatible sowie biologisch abbaubare optische Fasern entwickelt, mit denen die Laser tief in den menschlichen Körper gepumpt werden können. Als Machbarkeitsstudie wurde bereits eine photochemische Gewebebindung für den Wundverschluss entwickelt, die zu einer schnelleren Heilung und weniger Narbenbildung führen kann.
Schlüsselbegriffe
LIVINGLASER, Lasertherapie, Biolaser, Zellüberwachung, biologische Sensoren, Fluoreszenzfarbstoffe, Gewebebildgebung, Photonik, Fettzellen, Lipidtröpfchen, Brechungsindex, Polystyrolperlen, medizinische Diagnostik, biokompatibel, biologisch abbaubar, biol
