Биорезонаторный лазер - новый инструмент в борьбе с раком
АЛЬБУКЕРК, Нью-Мексико - Механизм «умного скальпеля», предназначенный для обнаружения наличия раковых клеток, когда хирург вырезает опухоль, скрытую кровью, мышцами и жиром, был разработан в прототипе учеными из Министерства энергетики США. Национальные лаборатории Сандия.
Устройство размером с десятицентовую монету, называемое биологическим микрорезонаторным лазером, должно помочь хирургам более точно удалять злокачественные новообразования, сводя к минимуму количество удаляемой здоровой ткани.
По сути, запатентованное устройство сообщало хирургу, когда прекратить резание.
«Мы можем быстро идентифицировать клеточную популяцию с аномальным содержанием белка, как и опухолевые клетки, пропуская через наше устройство всего несколько сотен клеток - одну миллиардную часть литра», - говорит Пол Гурли, лидер Усилия Sandia.
Устройство, более кратко называемое биорезонаторным лазером, провело в лаборатории различие между культивируемыми клетками, состоящими из нормальных клеток человеческого мозга, называемых астроцитами, и их злокачественными формами, называемыми глиобластомами, с отличными результатами.
Мозг является особенно важным местом, чтобы знать, когда было удалено достаточно ткани, говорит Гурли. Ответы из других ячеек можно отфильтровать.
DOE выбрало работу лучшим проектом года среди 28 лабораторий США на конкурсе в подразделении фундаментальных энергетических наук.
В четверг, 23 марта, в конференц-центре Миннеаполиса состоится пресс-конференция, спонсируемая Американским физическим обществом, на которой будут представлены последние данные об устройстве. Официальная презентация состоится 24 марта, также в конференц-центре Миннеаполиса, на ежегодном мартовском собрании Общества.
Может быстро отличить раковые клетки от нераковых
По словам доктора Стива Скирболла, члена отделения нейрохирургии Медицинской школы Университета Нью-Мексико, который помогает определить характеристики биорезонаторного лазера, «устройство имеет большие потенциальные преимущества, особенно если мы продолжать развивать нанотехнологию в ее основе. Мы можем пропускать клетки в режиме реального времени, чего не может сделать ни одно современное устройство, о котором я знаю. Мы все еще смотрим на фундаментальную науку, чтобы определить главный определяющий фактор, но результаты обнадеживают. Мы можем показать различия между опухолевыми и неопухолевыми клетками для изучаемого нами рака».
Исследователи не верили, что это возможно. Они ошибались. Гурли говорит: «Люди не верили, что мы можем прокачать клетки с помощью микролазера, включить клетки в процесс лазерной генерации и получить значимые результаты. Как оказалось, мы можем делать все эти вещи».
Устройство работает за счет включения клеток крови в процесс лазерного излучения, а не освещения клетки лазерным лучом, как прожектором. Вертикальный микролазерный луч проникает в отдельные клетки, когда они проталкиваются микронасосом через крошечные каналы, прорезанные в стеклянной поверхности устройства. Поскольку раковые клетки содержат больше белка, чем нормальные клетки, их дополнительная плотность изменяет (за счет преломления) скорость прохождения через них лазерного луча. Это изменение регистрируется приемником как разница в выходной частоте и передается по оптоволоконному кабелю на портативный компьютер, находящийся в нескольких футах от прибора. Алгоритм переводит данные в график, который, изменяясь от момента к моменту, предоставляет хирургам легко читаемые пики и впадины, которые четко показывают, когда кровь, перекачиваемая из разреза, очищается от раковых клеток.
В хирургическом скальпеле аспиратор откачивал жидкость из разреза в микрорезонаторный лазер, заключенный в ручке скальпеля. Информация будет передаваться от скальпеля к компьютеру по оптическому волокну.
Результаты намного быстрее
Микрорезонаторный лазер дает результаты гораздо быстрее, чем проточные цитометры - стандартный инструмент, используемый для определения наличия раковых клеток, полученных из разреза. Проточные цитометры требуют окрашивания клеток красителем для их исследования. Этот длительный процесс может занять несколько часов, чтобы изменить клетки, и он мало помогает пациенту, которого уже сшили вместе.
Лазер для биорезонаторов Sandia, частично основанный на методах изготовления полупроводников, при ориентировочной стоимости от 10 000 до 50 000 долларов также намного дешевле в изготовлении, чем проточная цитометрическая машина стоимостью 100 000 долларов (или дороже), которая может быть настольного или настольного размера. Портативное лазерное устройство может обеспечить анализ до 100 000 клеток в секунду в режиме реального времени, что в пять раз быстрее, чем другие методы. Для него не требуется, как для типичных настольных цитометров, небольшого помещения, хорошо обученных операторов и большого лазера.
Управление фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Управление лабораторных исследований и разработок Sandia, которое поддерживает исследования, ориентированные на открытия, финансируют исследование материалов, лежащих в основе этой работы.
Изначальное недоверие
Это устройство является результатом более чем двух десятилетий работы Sandia над сложными полупроводниковыми материалами и лазерными структурами с микрорезонаторами. Можно сказать, что он берет свое начало 14 лет назад, когда исследователям Sandia удалось - вопреки большому недоверию научного сообщества - соединить слои кристаллических материалов нанометровой толщины вместе, чтобы сформировать лазер с вертикальным резонатором в виде единой решетки. Это достижение считалось невозможным, поскольку считалось, что сверхмалые размеры активной среды лазера не позволяют работать лазеру. Тем не менее, сэндвич-материалы обладали такой высокой отражающей способностью, что устройство сработало.
Появление этих кристаллических структур позволило регулярно создавать крошечные, очень эффективные лазеры из полупроводников, в которых нанометровые слои арсенида алюминия-галлия зажаты между нанометровыми слоями арсенида галлия. Подпитка среднего слоя заставляет его излучать фотоны, как кристалл. Слои ниже и выше действуют как зеркала, отражая излучаемые фотоны туда и обратно через излучающий материал и усиливая выходной сигнал в классическом лазерном процессе, хотя все это происходит в пределах горизонтального пространства, измеряемого в нанометрах..
В биологическом микрорезонаторном лазере одного луча микролазера достаточно, чтобы пересечь клетки, проходящие в канале над поверхностью стекла. Можно добавить больше каналов и больше лазеров, чтобы увеличить скорость техники.
Недавно опубликованные технические статьи о проекте были опубликованы в The Journal of Biomedical Microdevices and the Proceedings of the Biomedical Optics Society (SPIE).
Ведутся предварительные обсуждения с биотехнологическими компаниями, заинтересованными в коммерциализации метода.
При дальнейшем развитии устройство микродатчика также может быть использовано в качестве недорогого и быстрого средства контроля биологических и химических компонентов подземных вод, сточных вод или взрывоопасных химикатов. Он уже способен обнаруживать другие аномалии белков крови, такие как серповидноклеточная анемия.