ミニチュアフリッキンレーザービームを備えたセルという1つの簡単な要求があったすべての細胞生物学者のために、ハーバードチームが実際にそれを実現しました。 体内の幻想的な航海に小さなレーザーを向けることができるため、薬物の送達から腫瘍の成長の追跡まで、一連の医療用途が可能になります。
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「細胞を、内部のDNAによってプログラムされた、標的にレーザーを照射できる生物学的機械として使用したいと考えています」とハーバード大学医学部のSeok-Hyun（Andy）Yunは説明します。
光は単細胞内視鏡のような器具で細胞内を見るために使用されますが、光はより深い組織にうまく浸透しないため、その使用は皮膚などのよりアクセスしやすい場所に限定されています。 細胞に蛍光色素とタンパク質を追加すると、科学者は体内でさらにそれらを見つけて調べることができます。 しかし、これらの手順は広範囲の放射を生成するため、生体組織内の分子によって生成されるすべてのバックグラウンド放射の中から細胞固有のデータを抽出することが困難になる場合があります。
マイクロレーザーを入力してください。マイクロレーザーは、生きている細胞を画像化、監視、さらには支援するためのはるかに正確で鋭い方法を提供します。
「医療用途向けにレーザーを再発明したいと考えています」とユンは言います。 「他のさまざまな理由で業界によって発明されたレーザーを借りる代わりに、非常に小さい生体材料で作られているため、光ベースのアプリケーションを行うためにほとんど問題なく体内に移植または注入することができます現在、光を届けるのは実用的ではありません。」
典型的なレーザーは、特定の波長の光を放出するように原子を励起し、1対のミラー間で光を反射させて効果を増幅します。 ミラーの1つは部分的に透明で、一部の光が細いビームで逃げることができます。これがレーザーです。 セル内にレーザーを構築するための鍵は、光微小共振器を作成することです。この微小共振器は、光を閉じ込めて、球の表面での屈折によって閉じ込められた小さな球の内部を循環します。
ユンのチームはこれを2つの異なる方法で行いました。 ソフトバージョンは、蛍光色素と混合した油または天然脂肪脂質の小滴を細胞に注入することにより作成されました。 ハードバージョンでは、代わりに蛍光ポリスチレンビーズを使用しました。 いずれの場合も、セル全体がナノ秒パルスによって励起され、光が生成され、球体内に閉じ込められました。
「空の部屋にいて、特定の音声周波数が共鳴するようなものです」とユンは説明します。 「しかし、部屋を絞ると、形と大きさが変わると、共振周波数も変化します。 原則として、光周波数スケールでも同じことを行います。 特定の光が共振し、空洞を循環する際に増幅され、最終的にレーザー出力に変わります。」
その出力の極端な精度は、小さなレーザーを非常に有望にしている一つのことです。 ソフトドロップレットバージョンは、応力がかかったときに形状を非常に軽くシフトし、その変形によりレーザーの発光スペクトルに目に見える変化が生じるため、細胞のわずかな変化でも細かく記録できます。 同様に、 Nature Photonicsで今週発表された研究によると、チームはハードビーズのサイズを変更することにより、わずかに異なる波長のレーザーを生成し、個々の細胞を一意に色分けし、単一組織内の数千の異なる細胞にラベルを付けることができます。
単一の脂肪細胞の共焦点画像は、大きな脂肪滴（オレンジ色）と小さな細胞核（青）を示しています。 細胞内の脂肪滴は、天然レーザーとして使用できます。 （マチャジュ・フマーとソク・ヒョンユン） 
光ファイバーを豚の皮膚に挿入して、皮下脂肪細胞によって生成されるレーザー光を刺激します。 （マチャジュ・フマーとソク・ヒョンユン） 
共焦点画像は、細胞（緑）、細胞核（青）、および細胞内で変形可能なレーザーとして機能する注入された油滴（赤）を示しています。 （マチャジュ・フマーとソク・ヒョンユン） 
レーザーを含む多数のセル（緑色）。数千個のセルを一意にタグ付けするために使用できます。 （マチャジュ・フマーとソク・ヒョンユン） 生きている細胞は、これらのマイクロレーザーを最も効果的に使用するための理想的な送達メカニズムです。 たとえば、免疫細胞は特定の問題に対応するために標的とすることができるため、レーザーを照射して腫瘍や他の疾患部位と結合させることができます。 配置が完了すると、細かく調整されたレーザー光により、さまざまなアプリケーションを実行できます。
「レーザーのスペクトルピークはローカル環境に非常に敏感です。レーザーを設計して、特定のバイオマーカーを感知し、小さなシフトでも変化する場合に出力波長を変更することができます」とユンは指摘します。 これは、レーザーが細胞表面、ホルモン、さらには細胞のタンパク質産生についての非常に詳細な情報を提供できることを意味します。 また、レーザーを使用して個々の細胞にタグを付け、腫瘍などのより大きな物体が時間とともにどのように変化するかをより詳細に描くことができます。
「個々の細胞が体内のどこに行くのかを正確に見ることができ、どの細胞が他の細胞よりも早く転移し、個々の細胞レベルで腫瘍の収縮の成長を調べることができます」とユンは言います。
おそらく最も有望なのは、人間の健康の側面を監視するだけでなく、それらを積極的に改善する可能性である、と彼は付け加えます。「これらのレーザー装備の細胞は、光活性化薬を搭載し、特定の場所に届けられる可能性もあります例えば、腫瘍を殺すために使用されるかもしれません。」
