Laser aus menschlichen Zellen

Lebender Laser: Diese lebende Zelle, die eine große Menge grün fluoreszierendes Protein produziert, ist das Herzstück eines neuen Laserdesigns.
Bildnachweis: Malte Gather.

Forscher der Harvard Medical School und des Massachusetts General Hospital in Boston haben einen auf lebenden Zellen basierenden Laser entwickelt. Sie waren motiviert, eine der grundlegenden Einschränkungen der biologischen Bildgebung zu überwinden: Es ist sehr schwierig, sichtbares und infrarotes Licht in den Körper hinein und aus ihm heraus zu bekommen.

Lebende Laser haben einige grundlegende Teile, die aus derselben Liste stammen wie jeder andere Laser. Zunächst haben die Forscher menschliche Leberzellen genetisch so verändert, dass sie große Mengen grün fluoreszierender Proteine ​​produzieren, die in der Zelle verstreut sind. Eine Zelle, die diese Proteine ​​trägt, fungiert als Verstärkungsmedium – der Teil des Lasers, der die Lichtenergie verstärkt. ‘

Wie jeder Laser benötigt der Zelllaser eine Energiequelle, um ihn zu pumpen und die Lichtleistung zu erhöhen, die er emittieren kann. Die Forscher pumpten die lebenden Laser, indem sie die Zellen mit Licht durch ein Mikroskop pulsierten. Wenn Licht im Inneren der Zelle herumspringt und von den fluoreszierenden Proteinen wieder emittiert wird, wird es verstärkt, erhöht seine Leistung, bevor es in einem kohärenten Strahl emittiert wird. Um das Licht so lange wie möglich springen zu lassen und so viel Energie wie möglich zu gewinnen, platzierte die Bostoner Gruppe diese Zellen in einem biokompatiblen optischen Hohlraum – im Wesentlichen einem winzigen, stark reflektierenden, zellförmigen Loch.



In einem Papier in Naturphotonik , vermuten die Bostoner Forscher, dass lebende Laser dabei helfen würden, lichtcodierte Informationen in den Körper hinein und aus ihm heraus zu transportieren. Diese lebenden Laser unterscheiden sich grundlegend von Zellen, die einfach fluoreszierende Proteine ​​​​herstellen: Ein Laser sendet per Definition einen starken, kohärenten Lichtstrahl aus. Laserlicht eignet sich hervorragend zum Übertragen von Informationen über Entfernungen, sei es von Land zu Land in den Glasfasern, die das Rückgrat des Internets bilden.

Optische Bildgebungsetiketten können über die molekulare Funktionsweise von Geweben und Zellen im Körper berichten. Fluoreszierende Protein-Tags, die sichtbares oder infrarotes Licht emittieren, sind heute gängige Werkzeuge zum Studium der Zellbiologie in Reagenzgläsern. Es ist jedoch schwierig, solches Licht in den Körper hinein und aus ihm heraus zu bekommen, da das Licht beim Durchgang durch biologisches Gewebe diffundiert. Lebende Laser haben das Potenzial, dies zu ändern, wenn sie zu praktischen Systemen verarbeitet werden. Man kann sich vorstellen, ein medizinisches Hybridimplantat aus Lebend-Nichtlebend unter die Haut zu legen, das zum Beispiel Informationen über Biomarker im Blut ausstrahlt.

Die größte Herausforderung bei jeder neuen Art von Laser besteht darin, herauszufinden, wie man ihn praktisch pumpt. Die Verwendung eines Mikroskops zum Pumpen der lebenden Laser ist ein guter Weg, um zu beweisen, dass sie funktionieren, aber für Anwendungen ist es nicht so praktisch. Laser können entweder mit Strom oder Licht gepumpt werden, aber wie würde das im Körper bewerkstelligt?

Vielleicht lässt sich diese Arbeit mit anderen Projekten verzahnen, die auf die Entwicklung implantierbarer Elektronik ausgerichtet sind. Andere Gruppen haben bereits implantierbare Lichtquellen und elektrische Dioden entwickelt, die einen lebenden Laser pumpen könnten. Eine Gruppe der University of Illinois und der Tufts University zum Beispiel hat biokompatible und qualitativ hochwertige LEDs, Transistoren, Elektroden und andere Elektronik hergestellt und gezeigt, dass sie funktionieren, wenn sie in lebende Tiere implantiert werden.

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