АЛЬБУКЕРК, Нью-Мексико. Революционное портативное лазерное устройство, которое за несколько мгновений может обнаружить, а затем отследить нарушения в крови, было запатентовано в виде прототипа учеными из Национальной лаборатории Сандия и Национального института здравоохранения. Сканер, который делает образцы крови частью процесса лазерной генерации, немедленно обнаруживает серповидно-клеточную анемию, а также нанометровые изменения в клеточной структуре, подобные изменениям, вызванным вирусом СПИДа..
Устройство, называемое биорезонаторным лазером, также лучше способно различать раковые и нераковые клетки, чем тесты мазка Папаниколау, которые визуально анализируют лишь относительно небольшое количество клеток шейки матки. Устройство биорезонатора также должно позволять наблюдателям наблюдать за неограниченным ростом клеток - раком - и гибелью клеток (апоптозом) во время этих процессов. (Считается, что апоптоз - клеточное самоубийство - устраняет нежелательные человеческие ткани и способствует правильному росту органов, конечностей и нейронов.)
Для жертв террористических биологических или химических атак переносное устройство, как ожидается, значительно сократит время, необходимое для анализа опасных материалов, проникающих в кровоток. Диагноз может быть поставлен на месте, что облегчает лечение, когда скорость имеет решающее значение. Широкое внедрение устройства положит конец задержкам получения пациентами результатов анализов крови, когда кровь, взятая медсестрой, отправляется в лабораторию для анализа.
Физик Принстонского университета Роберт Остин в журнале Science описал биорезонаторный лазер как «действительно инновационную технологию».
Используя его, говорит Пол Гурли, руководитель проекта устройств в Sandia, «можно взять образец крови, содержащий миллионы клеток, и извлечь информацию о каждой клетке за несколько минут. Результаты поддаются количественной оценке. Если ни одна клетка не является раковой, мы получаем стандартный световой сигнал. Раковая клетка дает яркую вспышку на разных длинах волн."
Работа финансируется Лабораторно-ориентированной программой исследований и разработок Sandia, которая финансирует спекулятивные оборонные проекты, а также Министерством энергетики США. По словам Гурли, предварительный интерес проявили компании, занимающиеся анализом крови и клеток, а также фармацевтические компании.
Лаборатория на чипе объединяет полупроводниковый и биологический материал
Устройство сочетает в себе полупроводник и биологический материал, чтобы функционировать как своего рода лаборатория на чипе, доставляя жидкости в микролабораторию и считывая результаты на месте. Гурли разработал его вместе со своим братом, врачом Марком Гурли из Национального института здравоохранения, при содействии Энтони Макдональда, техника Sandia. (Примечание: Марк Гурли сейчас находится в Вашингтонском больничном центре в Вашингтоне, округ Колумбия)
В нем используется лазерное устройство под названием VCSEL - лазер с вертикальным резонатором, излучающий поверхность, - который испускает миллионы крошечных лазерных лучей из области размером примерно с почтовую марку. VCSELS были впервые разработаны Гурли из Sandia вместе с коллегой из его лаборатории Тимом Драммондом в середине 1980-х годов.
Как работает устройство
Вместо того, чтобы создавать лучи, которые проходят через клетки крови и затем дают данные, исследователи вводят образцы крови в сам лазер, чтобы стать частью процесса генерации лазерных лучей VCSEL, изменяя их по мере их формирования. Над специализированным полупроводником зеркало из стекла с покрытием образует один конец зоны генерации лазера. В стекло через протравленные микроканавки, каждая на 1/10 ширины человеческого волоса, закачивается образец крови.
Уникальный дизайн позволяет компонентам крови - красным или белым кровяным тельцам или проникающим частицам - стать частью процесса генерации. Компоненты крови, по сути, модифицируют лазерный свет, поскольку он создается в крошечном лазерном резонаторе, что позволяет анализировать выходной свет в спектрометре для обнаружения изменений в размерах и форме клеток.
Поскольку свет много раз отражается от данного образца, что является следствием процесса лазерного излучения, отклонение изображения, создаваемое частицей крови, увеличивается, что значительно увеличивает шансы на положительную и безошибочную идентификацию. Что он видит Серповидный эритроцит четко отличается от нормальной, более сферической клетки. Компоненты лейкоцита, содержащиеся внутри полости, можно анализировать, чтобы увидеть, как он реагирует на организмы или лекарства в крови, что помогает в разработке новых лекарств.
«После микрохирургического разреза лейкоцита и высвобождения его белков мы можем увидеть объем материала в клетке. Активированные лимфоциты демонстрируют больший объем и изменение индекса преломления», - говорит Гурли.
Поскольку считывание основано на светоизлучающих полупроводниках, в большинстве применений клетки не нужно уничтожать и окрашивать, что является наиболее типичной лабораторной процедурой. Вместо этого исследователи могут наблюдать за изменениями в клетках по мере их возникновения - в «реальном времени».
«Лазер с микрорезонаторами - это, по сути, инструмент для изучения изменений клеточной структуры, - говорит Гурли, - и его можно даже использовать для секвенирования ДНК».
Существующие методы анализа живых клеток включают проточные цитометры, которые просто пропускают лазерный свет через одну клетку за раз.
Мощность и стоимость
В форме пластины устройство активируется лазерным микроскопом размером с телефонную трубку, который действует как источник энергии и считывает выходные данные биорезонаторного лазера, как сканер в супермаркете считывает штрих-коды.
Чтобы сделать коммерческий биочип, уже существуют источники электроэнергии размером с четверть, а громоздкие оптические компоненты должны быть заменены оптическим волокном, говорит Гурли. Небольшая система без излишеств может различать клетки в образце и предлагать спектральный анализ (без изображения) на портативном компьютере по цене от 5 000 до 15 000 долларов, по оценкам Гурли. Более полная установка для лабораторных исследований, позволяющая сканировать поверхность лазером или прокачивать через нее такие материалы, как большое количество крови, обойдется примерно в 70 000 долларов США.
Сравнение биорезонаторов с более традиционными лазерами
Краткое примечание, сравнивающее биорезонаторные лазеры, VCSEL и обычные лазеры: Обычные лазеры требуют зеркал, установленных друг напротив друга, чтобы отражать свет обратно в генерирующее вещество - кристалл или газ, расположенный между ними, для создания еще большего количества света. Лазеры, сделанные из полупроводников, используют свои остро сколотые концы в качестве зеркал - свет отражается из-за разницы в скорости света в кремнии и воздухе, точно так же, как стеклянное окно отражает изображения, хотя и пропускает другой свет.
В VCSEL полупроводник не скалывается, чтобы обеспечить отражающую поверхность. Скорее, это делается путем нанесения чередующихся слоев специально подобранных сплавов. Слои формируются точно на расстоянии друг от друга, необходимом для отражения «синфазного» света, поэтому эффективность луча очень высока. (Совпадение по фазе означает, что максимумы и минимумы создаваемого света возникают одновременно, создавая мощный эффект.)
Лучи также создаются в гораздо меньшем генерирующем объеме, чем типичный полупроводниковый лазер, и, таким образом, может быть создано намного больше лучей для освещения области. В медицинском устройстве верхний слой из арсенида галлия-алюминия и арсенида алюминия заменен предметным стеклом, по микроканавкам которого течет кровь. Лазерные лучи различаются качеством и компонентами крови, через которую они проходят, и стеклом, от которого они отражаются.
Sandia - многопрофильная лаборатория Министерства энергетики, которой управляет дочерняя компания Lockheed Martin Corp. С основными объектами в Альбукерке, штат Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния, Sandia выполняет основные исследования и разработки в области национальной безопасности, энергетики и охраны окружающей среды. технологии и экономическая конкурентоспособность.
Доступные изображения: да Контакт для СМИ: Нил Сингер, 505-845-7078 [email protected] Контактное лицо по техническим вопросам: Пол Гурли, 505-844-5806 [email protected]
Домашняя страница Sandia National Laboratories во всемирной паутине находится по адресу https://www.sandia.gov. Пресс-релизы, информационные бюллетени и советы по новостям можно найти по адресу https://www.sandia.gov/media/whatnew.htm. Интернет-издание Sandia Lab News находится по адресу