Unos láseres diminutos en las células podrían funcionar como sensores autónomos
A pesar de seguir siendo el método de referencia para el estudio celular, las sondas fluorescentes tienen varias limitaciones. Su espectro de emisión relativamente amplio hace difícil distinguir las sondas individuales cuando muchas trabajan de forma simultánea (multiplexación). También son propensos al fotoblanqueo, pueden ser fototóxicos para las células y son sensibles a factores ambientales como los niveles de pH o las temperaturas, lo que dificulta su calibración. El equipo del proyecto Cell-Lasers, financiado por el Consejo Europeo de Investigación(se abrirá en una nueva ventana), ha sido pionero en la detección de emisiones láser estimuladas por nuevos «microláseres» insertados en células y tejidos. «El estrechísimo ancho de línea de emisión, la alta coherencia y la intensidad de estos láseres permiten rastrear cientos de células de forma simultánea. Además, como las líneas láser se mueven con precisión ante cambios mínimos en el entorno inmediato del láser, pueden funcionar como sensores químicos y de fuerza ultrasensibles», explica el coordinador del proyecto, Matjaž Humar, del Instituto Jožef Stefan(se abrirá en una nueva ventana), entidad anfitriona del proyecto. El equipo ya había demostrado, por primera vez, que se podía introducir un láser en una célula. En Cell-Lasers se demostró que estos láseres podían utilizarse realmente para estudiar procesos biológicos, trabajo que le valió a Humar un Premio Zois a Logros Sobresalientes(se abrirá en una nueva ventana) en Eslovenia.
Presentación de los láseres de perlas, burbujas y comestibles
Los láseres son esencialmente el producto de la amplificación de la luz en un medio. Para inducir este efecto de láser(se abrirá en una nueva ventana), en Cell-Lasers se introdujo un material fluorescente en el interior de una cavidad microscópica (el medio) que, al ser energizado por una fuente de luz externa, amplifica la luz y la convierte en una señal óptica precisa. Para integrar estos microláseres en células y tejidos vivos cultivados, el equipo experimentó con diversos medios láser, desde perlas sólidas a gotas de aceite blando, antes de probar con burbujas de jabón e incluso sustancias comestibles. Según el medio investigado, las células los absorbían de forma natural o se inyectaban con una pipeta diminuta. El análisis de los desplazamientos espectrales de la luz emitida permitió medir las fuerzas celulares y la dinámica de las gotas de lípidos. El equipo también ha creado un medio para rastrear células en el interior de los tejidos mediante imágenes de localización espectral difusa, lo que ampliará el alcance más allá de la microscopía habitual. Se realizaron numerosos experimentos, como la inyección de microgotas de aceite en hidrogeles, tejido cerebral y células adiposas para validar su uso como sensores de fuerza. Las simulaciones por ordenador ayudaron a correlacionar los cambios espectrales con cambios específicos en las gotas, lo que garantizó la eficacia del medio láser. «Controlamos los cambios en el tamaño de las gotas de lípidos de las células adiposas con precisión nanométrica, lo que reveló dinámicas metabólicas hasta ahora invisibles para la microscopía estándar. También medimos las deformaciones de las gotas con una precisión de un nanómetro y, de esa forma, detectamos fuerzas celulares tan pequeñas como unas pocas unidades (piconewtons)», afirma Humar.
Nuevas líneas de investigación pioneras en salud y seguridad alimentaria
Los sensores intracelulares de Cell-Lasers ofrecen nuevas vías para estudiar enfermedades como el cáncer y la diabetes a nivel unicelular, lo que podría dar lugar a mejores dispositivos de diagnóstico, como sensores de «tatuaje inteligente» para el control de la glucemia. Como dirección de investigación inesperada, el «láser comestible»(se abrirá en una nueva ventana) del proyecto, podría utilizarse para etiquetar productos valiosos como el aceite de oliva o medicamentos. Fabricados con materiales como la gelatina y la clorofila, que son fluorescentes y amplifican la luz del láser, podrían integrarse en productos alimenticios, que los consumidores podrían escanear para comprobar su frescura. Se está estudiando la creación de una empresa para comercializar las tecnologías de sensores del proyecto. Mientras tanto, la investigación científica avanza de los cultivos celulares a las células de los pacientes, para estudiar mejor las enfermedades. Además, mientras se buscaban nuevas formas de etiquetar células, se utilizaron por primera vez fuentes cuánticas monofotónicas como códigos de barras dentro de las células. El resultado fue la primera demostración de generación de fotones entrelazados en materiales orgánicos, lo que abre nuevas vías en la óptica cuántica que actualmente se exploran en el marco del nuevo proyecto SoftQuanta.