Odpowiednio uformowaną wiązką światła można złapać materię, przytrzymać ją i przemieścić – tak działają szczypce optyczne. Technika jest bezinwazyjna i sterylna, dzięki czemu sprawdza się w badaniach biologicznych np. komórek nowotworowych.

Na Politechnice Wrocławskiej metodę tę rozwija dr hab. inż. Sławomir Drobczyński, prof. uczelni z Katedry Optyki i Fotoniki. W swoim laboratorium prowadzi badania nad rozwojem i aplikacjami pęsety optycznej. Opracował zaawansowany układ manipulatora optycznego umożliwiającego łączenie pułapkowania optycznego z różnymi technikami obrazowania mikroskopowego. 

– Ze zjawiskiem pułapkowania optycznego spotkałem się wiele lat temu podczas stażu naukowego na uniwersytecie w  Strasburgu. Postanowiłem zgłębić to zagadnienie i kontynuować badania na Politechnice – mówi prof. Sławomir Drobczyński.

Dodaje, że zafascynowało go zarówno samo zjawisko, jak i aparatura do jego obserwowania. – Jako że jestem absolwentem uczelni technicznej, zawsze z tyłu głowy mam „inżynierskie” pytanie o to, jak dane urządzenie jest skonstruowane i jak można je jeszcze udoskonalić – mówi naukowiec z PWr.

Bezinwazyjny dotyk

Wyjaśnia, że wiązka laserowa, może pełnić rolę szczypiec do manewrowania małymi cząsteczkami, o rozmiarach mikro-, a nawet nanometrowych.

– Jest to metoda całkowicie sterylna, bez mechanicznego dotyku, dlatego świetnie sprawdza się jako narzędzie w biologii molekularnej, umożliwia np. rozciąganie i pomiar elastyczności nici DNA – mówi prof. Drobczyński.

Skonstruowana przez niego aparatura wykorzystywana jest w interdyscyplinarnym projekcie, finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki, w którym uczestniczy także Uniwersytet Medyczny z Wrocławia i Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN. Naukowcy przy pomocy szczypiec optycznych i mikrorobotów badają komórki nowotworowe poddawane hipertermii.

Ogrzewanie pojedynczej komórki

Prof. Sławomir Drobczyński: – Hipertermia to kontrolowana technika nagrzewania zmian nowotworowych. Chodzi o to, że komórki nowotworowe są bardziej wrażliwie na podwyższoną temperaturę, dlatego łatwiej można je „przegrzać” i zniszczyć. Pojawia się jednak pytanie, jak kontrolować ten proces w taki sposób, żeby nie niszczyć przy okazji zdrowych komórek. Nie wiadomo też, czy wszystkie nowotwory reagują na hipertermię w jednakowym stopniu.

Pułapkowanie optyczne 3um kulek polistyrenowych w wodzie. Kwadratowy marker jest przesuwany przez użytkownika za pomocą myszki komputerowej i wskazuje położenie pułapki optycznej.

Badacze postanowili zaprojektować mikro narzędzia, które pozwolą za pomocą światła generować ciepło oraz mierzyć temperaturę, tak aby śledzić proces programowanej śmierci komórki w czasie rzeczywistym w modelu guza „in vitro”. Wykorzystują w tym celu mikroroboty, których funkcjonalność zależy od parametrów oświetlających je wiązek laserowych.

– Dzięki szczypcom optycznym możemy wybiórczo chwytać mikrorozmiarowe obiekty, w tym komórki, zbiory komórek lub mikroroboty, pełniące funkcję generatorów ciepła jak i termometrów – wyjaśnia naukowiec z PWr. – W preparacie mikroskopowym światłem chwytamy mikrotermometr i „grzałkę” i zbliżamy do komórki, obserwując, co się dzieje w momencie punktowego ogrzewania – tłumaczy.

Od strony biologicznej badania wspiera dr n. med. Kamila Duś-Szachniewicz z Katedry Patomorfologii na Uniwersytecie Medycznym we Wrocławiu, za stworzenie mikrorobotów odpowiada zespół prof. Artura Bendarkiewicza z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN.

Badania naukowców mają pomóc zrozumieć patofizjologię komórek nowotworowych, ale też przyczynić się do opracowania skutecznej terapii celowanej.

Światło ma moc

Prof. Drobczyński podkreśla, że w laboratorium można prowadzić badania różnych materiałów, nie tylko biologicznych. Urządzenie nadaje się też do obserwowania wielu zjawisk fizycznych w mikroskali. 

– Można mierzyć bardzo małe przemieszczenia i siły. Współpracuję z dr. Jakubem Ślęzakiem z Wydziału Matematyki PWr, który jest specjalistą w dziedzinie matematycznej analizy modeli używanych do opisu pułapek optycznych. Niezwykle interesuje nas modelowanie i eksperymentalna weryfikacja zachowania mikroskopowych obiektów w obecności wiązek światła o różnych parametrach – mówi fizyk z PWr.

Naukowiec podkreśla, że konstruując aparaturę, dużo czasu przeznaczył na to, żeby urządzenie było przyjazne dla użytkownika. Zastosował m.in. ekran dotykowy, który jest połączony z systemem kierowania wiązką laserową. Interaktywny interfejs sprawia, że przesunięcie palca na monitorze wyświetlającym obraz preparatu mikroskopowego przesuwa wiązkę laserową w ślad za palcem.

– To, co robimy na monitorze, dzieje się w czasie rzeczywistym w preparacie – mówi profesor. Dodaje także, że jeżeli odpowiednio dobierzemy długość fali i moc, to szczypce mogą pełnić rolę skalpela laserowego, którym można coś celowo uszkodzić w badanym materiale.

– Wykorzystanie światła i zjawisk optycznych w dzisiejszych bardzo zaawansowanych technologiach i badaniach naukowych definiuje współczesną optykę, bez której nie istniałaby choćby super szybka telekomunikacja. Naukowcy na całym świecie odkrywają coraz to nowe zastosowania optyki w metrologii. Cieszę się, że udaje mi się nawiązywać współpracę zarówno z biologiami, chemikami, jak i matematykami czy fizykami – podsumowuje prof. Sławomir Drobczyński.

Przesuwanie komórki nowotworowej z wykorzystaniem monitora dotykowego. Użytkownik wskazuje palcem położenie pułapki optycznej i zarazem przemieszcza komórkę w preparacie mikroskopowym.

Iwona Szajner