Ученые разработали безопасный оптический пинцет для манипуляции микрообъектами

Оптические пинцеты манипулируют крошечными объектами, такими как клетки и наночастицы, с помощью лазеров. Хотя они могут показаться тракторными лучами из научной фантастики, на самом деле их разработка принесла ученым Нобелевскую премию в 2018 году. 

Теперь ученые с помощью суперкомпьютеров сделали оптический пинцет более безопасным для использования на живых клетках и применяют его для лечения рака, мониторинга окружающей среды и т.д.

Мы считаем, что наше исследование еще на один значительный шаг приближает промышленное внедрение оптических пинцетов в биологические приложения, в частности, в селективную клеточную хирургию и адресную доставку лекарств, — говорит Павана Коллипара, недавняя выпускница Техасского университета в Остине.

Коллипара является соавтором исследования оптических пинцетов, опубликованного в августе 2023 г. в журнале Nature Communications, которое он написал незадолго до получения степени доктора философии в области машиностроения под руководством соавтора исследования Юэбина Чжэна (Yuebing Zheng) из UT Austin, соответствующего автора статьи.

Оптические пинцеты захватывают и перемещают мелкие частицы, поскольку свет обладает импульсом, который может передаваться ударяемой частице. Усиленный свет в лазерах усиливает этот импульс.

Коллипара и его коллеги сделали еще один шаг вперед в использовании оптического пинцета, разработав метод охлаждения частицы, на которую направлено воздействие, с помощью теплоотвода и термоэлектрического охладителя. Их метод, получивший название гипотермического оптотермофоретического пинцета (HOTTs), позволяет с малой мощностью захватывать различные коллоиды и биологические клетки в их родных жидкостях.

Это новейшее достижение может помочь преодолеть проблемы, связанные с использованием современных лазерных пинцетов, поскольку они слишком сильно обжигают образец для биологических применений.

Основная идея этой работы проста, — сказал Коллипара.

Если образец повреждается из-за нагрева, просто охладите его, а затем нагрейте лазерным лучом. В итоге, когда мишень, например биологическая клетка, попадает в ловушку, ее температура все еще близка к температуре окружающей среды — 27-34 °C. Вы можете захватить ее в ловушку при меньшей мощности лазера и контролировать температуру, тем самым исключая фотонное или тепловое повреждение клеток.

Научная группа протестировала свой HOTT на эритроцитах человека, которые чувствительны к изменениям температуры.

При использовании обычного оптического пинцета структура клеток повреждается, и они сразу же погибают. Мы продемонстрировали, что независимо от того, в каком растворе находятся клетки, наша методика позволяет безопасно захватывать их и манипулировать ими. Это один из главных выводов исследования, — говорит Коллипара.

Другое открытие относится к области доставки лекарств. Плазмонные везикулы — крошечные биоконтейнеры, покрытые золотыми наночастицами, — были пойманы в ловушку и без предупреждения перемещены в разные места внутри раствора, что аналогично направлению лекарств к раковой опухоли. Как только они достигают раковой мишени, на них воздействует вторичный лазерный луч, который разрывает лекарственный груз.

Лазерно-индуцированная доставка лекарств важна тем, что мы можем сфокусировать и доставить лекарство на конкретную мишень. Таким образом, количество лекарств, потребляемых пациентом, значительно снижается, и можно указать, в какие места вводить лекарство, — добавил Коллипара.

Суперкомпьютерное моделирование потребовалось для расчета полномасштабных трехмерных величин сил, действующих на частицы в оптическом, термофоретическом и термоэлектрическом полях, достигаемых при определенной мощности лазера. Будучи аспирантом в UT Austin, Коллипара получил возможность работать на TACC Stampede2 — национальном стратегическом ресурсе, который совместно используют тысячи ученых, финансируемых Национальным научным фондом.

Система настолько сложна с точки зрения требований к вычислительным затратам, что наши локальные рабочие станции не могут ее поддерживать. Чтобы получить только одну точку данных, нам пришлось бы проводить моделирование в течение нескольких дней, а нам нужны тысячи. TACC помог нам в анализе и генерирует результаты на порядки быстрее, чем все остальное, что у нас есть, — сказал Коллипара.

В более широком плане, но не непосредственно для данного исследования, в исследованиях плазменных биосенсоров Коллипара также использовал систему Lonestar5 компании TACC для проведения более масштабного моделирования. Система Lonestar5, а теперь и Lonestar6 специально обслуживают ученых системы UT в рамках киберинфраструктуры исследований Техасского университета (UTRC).

Одного построения сложной модели недостаточно, — говорит Коллипара.

Необходимо убедиться в том, что она работает правильно, путем проведения экспериментов». Ноутбуков недостаточно для проведения сложных исследований и разработок. Именно здесь суперкомпьютерные ресурсы, подобные тем, что имеются в TACC, помогают ученым продвигать исследования и разработки как можно быстрее и не отставать от потребностей человечества.

01.11.2023