Optische Pinzetten manipulieren mithilfe von Lasern winzige Dinge wie Zellen und Nanopartikel. Auch wenn sie wie Traktorstrahlen aus der Science-Fiction klingen, ist es eine Tatsache, dass ihre Entwicklung Wissenschaftlern 2018 einen Nobelpreis einbrachte.
Wissenschaftler haben jetzt Supercomputer eingesetzt, um die Verwendung optischer Pinzetten an lebenden Zellen sicherer zu machen und sie in der Krebstherapie, Umweltüberwachung und mehr einzusetzen.
„Wir glauben, dass unsere Forschung der Industrialisierung optischer Pinzetten in biologischen Anwendungen, insbesondere sowohl in der selektiven Zellchirurgie als auch in der gezielten Arzneimittelabgabe, einen bedeutenden Schritt näher kommt“, sagte Pavana Kollipara, eine Absolventin der University of Texas in Austin.
Kollipara war Mitautor einer Studie über optische Pinzetten veröffentlicht August 2023 in Naturkommunikation, geschrieben kurz vor Abschluss seiner Doktorarbeit. in Maschinenbau bei Yuebing Zheng, Mitautor der Studie von der UT Austin, dem korrespondierenden Autor der Arbeit.
Optische Pinzetten fangen kleine Partikel ein und bewegen sie, da Licht einen Impuls hat, der auf ein getroffenes Partikel übertragen werden kann. Intensiviertes Licht in Lasern verstärkt es.
Kollipara und Kollegen gingen mit optischen Pinzetten noch einen Schritt weiter, indem sie eine Methode entwickelten, um das Zielpartikel mithilfe eines Kühlkörpers und eines thermoelektrischen Kühlers kühl zu halten. Ihre Methode, die als hypothermische opto-thermophoretische Pinzette (HOTTs) bezeichnet wird, kann mit geringem Stromverbrauch verschiedene Kolloide und biologische Zellen in ihren nativen Flüssigkeiten einfangen.
Film, der die Manipulation und anschließende kontrollierte Arzneimittelfreisetzung plasmonischer Vesikel bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur zeigt. Kredit: Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40865-y
Dieser neueste Fortschritt könnte dazu beitragen, Probleme mit aktuellen Laserlichtpinzetten zu überwinden, da diese die Probe für biologische Anwendungen zu stark verbrennen.
„Die Grundidee dieser Arbeit ist einfach“, sagte Kollipara. „Wenn die Probe durch die Hitze beschädigt wird, kühlen Sie einfach das Ganze ab und erhitzen Sie es dann mit dem Laserstrahl. Wenn das Ziel, beispielsweise eine biologische Zelle, eingeschlossen wird, liegt die Temperatur schließlich immer noch nahe an der Umgebungstemperatur.“ von 27–34 °C. Sie können es bei geringerer Laserleistung einfangen und die Temperatur kontrollieren, wodurch Photonen- oder thermische Schäden an den Zellen vermieden werden.“
Das Wissenschaftsteam testete sein HOTT an menschlichen roten Blutkörperchen, die empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren.
„Bei Verwendung herkömmlicher optischer Pinzetten wird die Zellstruktur beschädigt und sie sterben sofort ab. Wir haben gezeigt, dass unsere Technik sie unabhängig von der Art der Lösung, in der sie dispergiert sind, sicher einfangen und manipulieren kann. Das war eine der wichtigsten Erkenntnisse von.“ die Studie“, sagte Kollipara.
Eine weitere Erkenntnis gilt für Anwendungen zur Arzneimittelverabreichung. Plasmonische Vesikel, winzige, mit Gold-Nanopartikeln beschichtete Biobehälter, wurden eingefangen, ohne angeblich an verschiedene Orte innerhalb einer Lösung bewegt zu werden, ähnlich wie Medikamente zu einem gezielten Krebstumor geleitet werden. Sobald sie das Krebsziel erreichen, werden sie mit einem sekundären Laserstrahl getroffen, um die Medikamentenladung aufzuplatzen.
„Laserinduzierte Medikamentenverabreichung ist wichtig, weil wir Medikamente auf ein bestimmtes Ziel fokussieren und abgeben können. Auf diese Weise wird die Menge an Medikamenten, die ein Patient konsumiert, erheblich reduziert, und Sie können festlegen, an welchen Stellen Sie das Medikament verabreichen können“, fügte Kollipara hinzu.
Supercomputersimulationen waren erforderlich, um aus den optischen, thermophoretischen und thermoelektrischen Feldern, die bei einer bestimmten Laserleistung erzielt werden, die auf die Partikel einwirkenden 3D-Kraftgrößen in vollem Maßstab zu berechnen. Während ein Ph.D. Kollipara, Student an der UT Austin, erhielt Zuteilungen für Stampede2 von TACC, einer nationalen strategischen Ressource, die von Tausenden von Wissenschaftlern geteilt wird.
„Das System ist im Hinblick auf den Rechenaufwand so komplex, dass unsere lokalen Workstations es nicht unterstützen können. Wir müssten tagelang eine Simulation durchführen, um nur einen Datenpunkt zu erreichen, und wir brauchen Tausende. TACC hat uns bei unserer Analyse und Generierung geholfen „Ergebnisse um Größenordnungen schneller als alles andere, was wir haben“, sagte Kollipara.
Im weiteren Sinne und nicht direkt für diese Studie hat Kolliparas Plasma-Biosensor-Forschung auch das Lonestar5-System von TACC genutzt, um umfangreichere Simulationen durchzuführen. Lonestar5 und jetzt Lonestar6 dienen speziell Wissenschaftlern im UT-System durch die University of Texas Research Cyberinfrastructure (UTRC).
„Der Aufbau eines komplizierten Modells allein reicht nicht aus“, sagte Kollipara. „Sie müssen durch Experimente sicherstellen, dass es ordnungsgemäß funktioniert. Laptop-Computer reichen für die Anforderungen der Hardcore-Forschung und -Entwicklung nicht aus. Hier helfen Supercomputing-Ressourcen wie die bei TACC den Forschern, Forschung und Entwicklung so schnell wie möglich voranzutreiben und mit den Menschen Schritt zu halten.“ braucht.“
Mehr Informationen:
Pavana Siddhartha Kollipara et al, Hypothermische opto-thermophoretische Pinzette, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40865-y