I ricercatori del MIT hanno sviluppato un “raggio traente” basato su chip in miniatura, come quello che capta il Millennium Falcon In “Star Wars”, questo potrebbe un giorno aiutare biologi e medici a studiare il DNA, classificare le cellule e indagare sui meccanismi delle malattie.

Abbastanza piccolo da stare nel palmo di una mano, il dispositivo utilizza un raggio di luce emesso da un chip fotonico di silicio per manipolare le molecole a pochi millimetri dalla superficie del chip. La luce può penetrare nelle strisce di copertura in vetro che proteggono i campioni utilizzati negli esperimenti biologici, consentendo alle cellule di rimanere in un ambiente sterile.

Le pinzette ottiche tradizionali, che intrappolano le particelle e le manipolano utilizzando la luce, in genere richiedono configurazioni ingombranti del microscopio, ma le pinzette ottiche basate su chip possono fornire una soluzione più compatta, altamente producibili, ampiamente accessibile e ad alta produttività per la manipolazione ottica negli esperimenti biologici.

Tuttavia, altre pinzette ottiche integrate simili possono catturare e manipolare solo cellule molto vicine o direttamente sulla superficie del chip. Ciò contamina il chip e può stressare le cellule, limitando la compatibilità con gli esperimenti biologici standard.

Utilizzando un sistema chiamato fotosintesi integrata a schiera di fasi, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo metodo di pinzette ottiche integrate che consentono alle cellule di essere intrappolate e scansionate più di cento volte lontano dalla superficie del chip.

“Questo lavoro apre nuove possibilità per le pinzette ottiche basate su chip consentendo l’intrappolamento e la pinzatura delle cellule a distanze molto maggiori rispetto a quelle precedentemente dimostrate”, afferma Jelena Notaros, Robert Shillman Career Development Professor in Ingegneria elettrica e informatica (EECS) e membro del Laboratorio di ricerca sull’elettronica. “È emozionante pensare alle diverse applicazioni che questa tecnologia potrebbe consentire”.

Insieme a Notaros nell’articolo ci sono l’autore principale e lo studente laureato EECS Tal Sneh; Sabrina Corsetti, dottoranda CEE; Milika Notaros PhD ’23; Kruthika Kekere PhD ’24; e Joel Voldman, William R. Brody all’EECS. Ricerca Appare oggi su Comunicazioni sulla natura.

Nuovo metodo di cattura

Le trappole ottiche e le pinzette utilizzano un raggio di luce focalizzato per catturare e manipolare piccole particelle. Le forze esercitate dal raggio attireranno le particelle fini verso la luce intensamente focalizzata al centro, facendole catturare. Dirigendo il raggio di luce, i ricercatori possono trascinare con sé minuscole particelle, consentendo loro di manipolare piccoli oggetti utilizzando forze senza contatto.

Tuttavia, le pinzette ottiche richiedono tradizionalmente un grande microscopio in laboratorio, nonché più dispositivi per creare e controllare la luce, limitando dove e come possono essere utilizzate.

“Con la fotonica del silicio, possiamo prendere questo grande sistema che viene tipicamente applicato su scala di laboratorio e integrarlo in un chip. Questo offre un’ottima soluzione per i biologi, perché fornisce loro la funzionalità di intrappolamento ottico e pinzette senza doversi preoccupare. configurazioni ottiche enormi e complesse”, afferma Notaros.

Ma fino ad ora, le pinzette ottiche basate su chip erano in grado di emettere luce solo vicino alla superficie del chip, quindi questi dispositivi precedenti potevano raccogliere solo molecole a pochi micron di distanza dalla superficie del chip. I campioni biologici vengono generalmente conservati in ambienti sterili utilizzando vetrini coprioggetto spessi circa 150 micron, quindi l’unico modo per manipolarli utilizzando tale vetrino è estrarre le cellule e posizionarle sulla sua superficie.

Ciò, però, porta alla contaminazione dei trucioli. Ogni volta che viene eseguito un nuovo esperimento, il vetrino deve essere scartato e le cellule posizionate su un nuovo vetrino.

Per superare queste sfide, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un chip fotonico al silicio che emette un raggio di luce focalizzato a circa 5 millimetri sopra la sua superficie. In questo modo possono catturare ed elaborare le molecole biologiche che rimangono all’interno di una cappa sterile, proteggendo sia il chip che le particelle dalla contaminazione.

Manipolare la luce

I ricercatori ottengono questo risultato utilizzando un sistema chiamato array fotonico a fasi integrato. Questa tecnologia prevede una serie di minuscole antenne fabbricate su un chip utilizzando processi di produzione di semiconduttori. Controllando elettronicamente il segnale ottico emesso da ciascuna antenna, i ricercatori possono modellare e dirigere il fascio di luce emesso dal chip.

Motivati ​​da applicazioni a lungo raggio come il lidar, la maggior parte dei precedenti array di fasi ottici integrati non erano progettati per generare i fasci altamente focalizzati necessari per le pinzette ottiche. Il team del MIT ha scoperto che creando schemi di fase specifici per ciascuna antenna, si potrebbe formare un raggio di luce intensamente focalizzato, che potrebbe essere utilizzato per intrappolare otticamente e rimuovere millimetri della superficie del chip.

“Nessuno ha mai creato pinzette ottiche basate sulla fotonica del silicio in grado di intrappolare microparticelle a una distanza di un millimetro. Si tratta di un miglioramento molteplice rispetto alle dimostrazioni precedenti”, afferma Notaros.

Modificando la lunghezza d’onda del segnale ottico che occupa il chip, i ricercatori sono stati in grado di dirigere il raggio focalizzato su una gamma maggiore di un millimetro con precisione microscopica.

Per testare il loro dispositivo, i ricercatori hanno iniziato cercando di catturare e manipolare piccole palline di polistirolo. Una volta riusciti, sono passati a intrappolare e strappare le cellule tumorali con una pinza fornita dal gruppo di Voldman.

“Sono emerse molte sfide uniche nel processo di applicazione della fotonica del silicio alla biofisica”, aggiunge Sneh.

I ricercatori hanno dovuto determinare come tracciare il movimento delle molecole del campione in modo semiautomatico, garantire la forza adeguata della trappola per mantenere le molecole in posizione e post-elaborare i dati in modo efficace, ad esempio.

Alla fine, sono stati in grado di dimostrare i primi esperimenti sulle cellule utilizzando pinzette ottiche a raggio singolo.

Sulla base di questi risultati, il team spera di migliorare il sistema per consentire la regolazione dell’altezza focale del fascio luminoso. Vogliono anche applicare il dispositivo a diversi sistemi biologici e utilizzare più siti di trappola contemporaneamente per manipolare le molecole biologiche in modi più complessi.

“Si tratta di un documento molto innovativo e importante sotto molti aspetti”, afferma Ben Miller, MD, professore di dermatologia e professore di biochimica e biofisica presso l’Università di Rochester, che non è stato coinvolto in questo lavoro. “D’altra parte, poiché i chip fotonici in silicio possono essere prodotti a basso costo, potrebbero potenzialmente democratizzare gli esperimenti di pinzetta ottica. Potrebbe sembrare qualcosa che interesserebbe solo pochi scienziati, ma in realtà la disponibilità di tali sistemi su larga scala l’ambito ci consentirà di studiare problemi fondamentali della biofisica unicellulare in modi che in precedenza erano disponibili solo a pochi laboratori a causa dell’elevato costo e della complessità dei dispositivi. Posso anche immaginare molte applicazioni in cui uno di questi dispositivi (o forse un una loro combinazione) potrebbe essere utilizzata) per migliorare la sensibilità della diagnosi della malattia.

Questa ricerca è finanziata dalla National Science Foundation (NSF), da una borsa di studio Frederick e Barbara Cronin del MIT e da una borsa di studio Rolf J. Loescher del MIT.