I løbet af de seneste årtier er lasere blevet en vigtig del af vores liv med anvendelsesmuligheder rangerende fra laserpointers (små håndholdte lasere, som for eksempel bruges til præsentationer, red.) og cd-afspillere til medicinsk og forskningsmæssig brug.
Lasere skyder typisk lys ud i én, meget afgrænset, retning og med enkel og veldefineret farve. Vi forestiller os ofte en laser som et elektrisk apparat, vi kan holde i hånden, eller som en stor boks i midten af et forskningslaboratorium.
Fluorescerende farvestoffer er også blevet en hverdagsting, der er regelmæssigt brugt til forskning og til at identificere særlige celle- og vævstyper. Belysning af en fluorescerende farve får den til at afgive lys med en karakteristisk farve.
Farven og intensiteten bruges eksempelvis til at måle koncentrationer af forskellige kemiske stoffer som DNA og proteiner eller til at markere celler. Den helt store ulempe ved et fluorescerende farvestof er, at man kun kan adskille en snes forskellige farver.
Med en kombination af de to teknologier ved forskere, at hvis en farve er placeret i en optisk resonator – et apparat, der holder lys indespærret, som eksempelvis to spejle – kan de skabe en laser.
Tager man det hele et skridt videre, viser vores forskning, beskrevet i Nature Photonics, at vi kan skabe en miniaturelaser, der kan udsende lys inde i en enkelt levende celle.
Bittesmå lasere hjælper med at forstå celler
Vi lavede vores lasere ud af solide polystyren-kugler, der var 10 gange mindre end diameteren på et menneskehår. Kuglerne indeholdt et fluorescerende farvestof, og kuglens overflade holdt lyset indespærret. Der var dermed skabt en optisk resonator.
Vi fodrede disse laserkugler til levende, dyrkede celler, som spiste laserne inden for få timer. Derefter kunne vi tænde og slukke laserne ved at belyse dem med en ekstern lysilde - uden at skade cellerne.
Dernæst fangede vi det lys, som cellerne udledte, med et spektrometer og analyserede spektret. Laserne kan fungere som meget følsomme sensorer, hvilket gør det muligt at forstå den cellulære proces.
For eksempel målte vi ændringen i brydningsindekset – den måde lys rejser gennem cellen – mens koncentrationen af salt omkring cellen blev varieret. Brydningsindekset er direkte relateret til koncentrationen af kemiske bestanddele inde i celler som DNA, proteiner og lipider.
Lasere kan desuden også bruges til cellemarkering. Hver laser inde i en celle udsender lys med forskellige fingeraftryk, der nemt kan opdages og bruges som en stregkode for at markere cellen. Siden en laser har et meget smal emissionsspektrum, kan der produceres et enormt antal unikke stregkoder, som ellers ikke var mulige før.
Med grundigt laserdesign kan man give op til en billion celler (1.000.000.000.000) en unik markering. Det er tæt på det totale antal celler i menneskekroppen. Så i princippet kunne det være muligt at markere hver en celle i kroppen.
Det er et stort spring fra de cellemarkeringsmetoder, som er brugt indtil nu, og som højst kan markere få hundrede celler. Indtil nu har vi kun markeret celler i petriglas, men der er ingen grund til, at det ikke også skulle virke for celler i et levende menneske.
Alternative materialer for cellulære lasere
I stedet for en solid kugle har vi også brugt en lille dråbe olie som laser i en celle. Ved at bruge en mikropipette, indsprøjtede vi en lille dråbe olie, som indeholdt fluorescerende farvestof, i en celle. I kontrast til den solide kugle kan kræfter inde i cellen ændre formen på dråberne.
Ved at analysere det lys, der udsendes af en dråbelaser, kan vi måle deformationen og udregne de kræfter, der påvirker dråben. Det er en måde at få et meget præcist billede af, hvilke mekaniske kræfter, cellens indre bliver påvirket af i forbindelse med processer som cellevandring og –deling.
Til sidst indså vi, at fedtceller allerede indeholder lipiddråber, der kan fungere som naturlige lasere. De behøver ikke at spise eller blive indsprøjtet med lasere. De skal blot forsynes med ugiftig fluorescerende farvestof.
Det betyder, at hver og en af os allerede har millioner af lasere i vores fedtvæv, der bare venter på at blive aktiveret og udsende laserlys.
Du behøver aldrig mere gå på slankekur
Så næste gang du overvejer at gå på slankekur, kan du i stedet bare tænke på kropsfedt til et enormt antal små lasere.
Vores nye cellelaserteknologi vil hjælpe os til at forstå cellulære processer og forbedre medicinske diagnoser og behandlinger. Med tiden kan vi blive fri for at tage prøver fra kroppen, fordi vi kan indhente informationer ved hjælp af teknologien, der virker inde i kroppen.
En celle er en smart maskine, indeholdende en DNA-baseret computer. Specialiserede celler, såsom hvide blodlegemer, kan finde sygdommen og placeringen af en inflammation, og transportere laseren til målet for laserbaseret diagnose og behandling.
Forestil dig, at man kan slippe for at tage en biopsi fra en knude, der mistænke for at være en kræftknude, fordi cellelaserne kan hjælpe med at bestemme, hvad den er lavet af. Cellelasere er også lovende som en måde til at fordele lasere under behandling, for eksempel til præcist at aktivere et lysfølsomt lægemiddel, der kan dræbe mikrober eller kræftceller.
Matjaž Humar modtager støtte fra Marie Curie International Outgoing Fellowship indenfor 7th European Community Framework Programme. Seok-Hyun Yun modtager støtte fra National Science Foundation og National Institutes of Health. Denne artikel er oprindeligt publiceret i The Conversation.
Oversat af Josephine Søgaard Andersen.
