Как продвинутые оптические пинцеты произвели революцию в манипулировании клетками

Оптические пинцеты (ОП) — это сильно сфокусированные лазерные лучи, которые можно использовать для захвата и манипулирования микроскопическими объектами с помощью бесконтактной силы. Применяемые в широком спектре нано- и микроопераций, ОП стали особенно полезны для манипуляций с биологическими объектами, включая клетки человека.

Новый обзор, опубликованный в The European Physical Journal Plus, описывает последние достижения в области ОП за последние десятилетия. Авторы обзора — исследователи из Колледжа информационных наук и инженерии Северо-Восточного университета, Шэньян, Китай: Шэн Ху, Цзюнь-янь Е, Юн Чжао и Чэн-Лян Чжу.

«Хорошо известно, что клетка является основной единицей человеческой жизни. Если мы сможем понять мутацию, пролиферацию и некроз клеток, болезни внутри человеческого тела можно будет обнаружить и решить на клеточном уровне», — говорит Ху. «Таким образом, оптические пинцеты можно рассматривать как пионерскую технологию, используемую для удержания этих молекул, чтобы более точные биологические измерения могли зафиксировать изменения в одной клетке, включая белки, митохондрии и ДНК».

Авторы начинают с объяснения истоков ОП, восходящих к работам Джеймса Клерка Максвелла, и того факта, что свет, несмотря на отсутствие массы, может обладать импульсом. Таким образом, импульс света может создавать механический эффект в материи. Эта концепция позже была развита в идею о том, что мелкие частицы могут удерживаться оптическими устройствами.

Авторы отмечают, что появление лазерных инструментов — когерентного света с высокой интенсивностью и хорошими монохроматическими характеристиками — привело к оптическому манипулированию такими микрочастицами, а стабильный захват микрочастиц был достигнут в 1986 году.

ОП развились до стадии, на которой их можно использовать для захвата, сортировки, транспортировки и обогащения различных биологических частиц. Для более сложных и деликатных задач одиночные оптические лучи теперь усиливаются такими устройствами, как акустооптические модуляторы и электрические вибрирующие зеркала.

Исследователи добавляют, что ОП теперь можно использовать вместе с новой установкой микроскопии под названием «человеческий яркий глаз» для визуализации микроструктуры, состоящей из микро/наночастиц. Это означает, что ОП могут действовать как «человеческий тонкий палец», удерживая эти частицы, в то время как этот искусственный человеческий глаз исследует их.

Команда подробно описывает преимущества, которые ОП предлагают по сравнению с аналогичными методами, такими как атомно-силовые микроскопы (АСМ), магнитные пинцеты (МП) и акустические пинцеты (АП). Эти преимущества включают обеспечение более тонкой силы воздействия, их неинвазивную природу и тот факт, что они состоят из множества оптических компонентов.

Это означает, что оптическое манипулирование и, в частности, ОП нашли применение в таких разнообразных областях, как биология, фармакология и клинические исследования, захватывая нано- и микрочастицы — от молекул до клеток.

«Учитывая потенциальное применение ОП в «реальном мире», предстоит пройти долгий путь», — заключил Ху. «Например, необходимо решить проблему радиационного воздействия на клетки или белки. Более того, достижение стабильности оптических паттернов для субмикроразмерных частиц по-прежнему является сложной задачей, требующей сложной оптической настройки. Хотя это может привести к путанице и даже иногда к разочарованию, интригующие биологические проявления мотивируют нас способствовать прогрессу этой техники».