Forskare har utvecklat små, flexibla lasrar som kan användas för att mäta krafter inuti levande celler. De nya lasrarna kan bidra till att belysa olika biologiska processer, däribland sådana som är involverade i tidig utveckling och tumörprogression.
”Biologiska krafter inuti och mellan celler spelar en viktig roll vid många sjukdomar”, säger forskningsgruppens ledare Marcel Schubert från universitetet i Köln. ”När cancerceller invaderar vävnad måste de till exempel tränga sig igenom andra celler. Våra små lasrar gör det möjligt att mäta krafter på enskilda cellers skala, vilket tidigare har varit mycket svårt att åstadkomma.”
I tidskriften Optical Materials Express beskriver forskarna sina nya sfäriska whispering gallery mode-mikropärlelasrar, som bara mäter 20 mikrometer, ungefär bredden på ett människohår. Lasrar med viskande galleri-läge fångar upp ljus i cirkulära banor – i detta fall inuti en liten elastomerpärla dopad med fluorescerande färgämne – där ljuset cirkulerar och förstärks tills det avger koherent laserljus.
Forskarna visade att spektrala egenskaper hos mikrolaserns emission förändras i direkt proportion till den pålagda yttre kraften, vilket möjliggör kraftmätningar upp till 50 nanonewton. Detta är jämförbart med de krafter en cell kan utöva när den drar i en annan cell eller sin omgivande matris.
”Våra mikropärlaslasrar är extremt ljusstarka och mycket känsliga för deformationer, vilket gör dem idealiska för att mäta krafter i vävnad under utveckling”, säger Schubert. ”Genom att justera lasrarnas styvhet skulle det också bli möjligt att använda dem för att mäta starkare krafter, såsom de som är involverade i muskel- eller hjärtvävnadskontraktion.”
Tester i levande cellkulturer visade att fibroblastceller kunde internalisera elastomermikrolasrarna, som förblev stabila i fem dagar. Källa: Marcel Schubert, universitetet i Köln
Att skapa en mjuk, men solid mikrolaser
Schuberts forskargrupp har under flera år arbetat med att bygga mjuka mikrolasrar för mätning av biologiska krafter. Hittills har dessa mikrolasrar alla tillverkats av vätskor, såsom specialoljor, vilket gör dem för mjuka för många typer av biologiska kraftmätningar.
I det nya arbetet identifierade forskarna ett kommersiellt tillgängligt elastomer som är mjukt men har ett brytningsindex som är tillräckligt högt för att skapa en laser. Detta var svårt eftersom täta material, som tenderar att vara mindre flexibla, vanligtvis är nödvändiga för att uppnå ett högt brytningsindex.
Forskarna använde materialet för att bilda mikrolasrar genom att införliva en hög koncentration av fluorescerande färgämne i kulorna. När de belyses fångas färgämnets emission upp längs kulans inre yta, vilket skapar lasrar i viskande galleriläge.
Efter att ha verifierat att kulornas kemiska och mekaniska egenskaper förblev stabila med det tillsatta färgämnet, fann forskarna att de resulterande mikrolasrarna uppvisade en mekanisk styvhet som liknar levande celler.
”Styvheten är viktig eftersom celler kan ’känna’ mekaniken i sin omgivning och inte trivs i en miljö som är för mjuk eller för styv”, sade Schubert. ”Dessutom, medan det är mycket svårt för celler att ta upp oljedroppslasrar, hade de inga problem att internalisera de mjuka kulorna.”
Eftersom kraftavkänningen härleds från förskjutningar i det utsända laserspektrumet, gör kulorna det möjligt för forskarna att mäta krafter i och omkring celler utan direkt avbildning, vilket är svårt i täta vävnadsmiljöer, påpekade Schubert.
Mäta kraft med ljus
För att kalibrera kulorna och få kvantitativa kraftvärden använde forskarna ett atomkraftsmikroskop för att pressa ihop enskilda mikrokulor samtidigt som de mätte det utsända ljuset. När de var dopade med det organiska färgämnet visade elastomermikrokulorna multimodal lasering med tröskelvärden mellan 2 och 11 nanojoule.
Forskarna observerade också att spektrala egenskaper hos laseremissionen – specifikt bredden på lasermoderna – förändrades proportionellt mot den applicerade yttre kraften. Tester av mikrolasrarna i levande celler visade att de förblev stabila under cellodlingsförhållanden i flera dagar.
”Sammantaget tyder våra resultat på att elastomerbaserade mikrolasrar erbjuder låga lasertrösklar tillsammans med mekaniskt kompatibla egenskaper och stabilitet under cellodlingsförhållanden”, sade Schubert. ”Dessa egenskaper gör dem användbara för en rad biomekaniska experiment, inklusive kraftavkänning och kraftmätningar i djupvävnad där bildbaserade metoder inte är praktiska.”
Forskarna optimerar nu mikropärlaslasrarna för att förbättra långsiktig stabilitet och minska variationen mellan pärlorna. De har visat att modifieringar av tillverkningsmetoden kan ge en snäv storleksfördelning och fokuserar nu på att göra processen mycket reproducerbar.
Publikationsuppgifter
Melisa A. Bayrak et al, Elastomerbaserade mikrolasrar i viskande galleriläge med lågt Youngs modul för biosensorapplikationer, Optical Materials Express (2026). DOI: 10.1364/ome.600106
