En ny superlinse i nanostørrelse skal give forskere helt nye muligheder for at studere livet inde i menneskecellerne. Håbet er, at det kan betyde færre medicinforsøg på mennesker. Linsen er ved at bliver udviklet af forskere fra DTU.

»Linsen skal kunne vise processerne inde i cellerne uden at cellerne bliver forstyrret - og dermed uden at processerne bliver forvanskede. Det er ikke muligt med eksisterende udstyr,« siger adjunkt Alexandra Boltasseva, COM-DTU. Hun står i spidsen for forskningsprojektet.

Ulrik Darling Larsen, udviklingschef i virksomheden Chempaq, som arbejder på at udvikle systemer til undersøgelse af celler, har set nærmere på mulighederne i linseprojektet.

»Linsen vil gøre det muligt at få informationer, der i dag ikke er målbare. Det kan i bedste fald give muligheder for, at man kan afprøve medicin på celleniveau og se, hvad der sker, inden man skal afprøve det på mennesker. Så kan det hjælpe utrolig meget i lægemiddeludviklingen,« siger Ulrik Darling Larsen.

I dag må forskere og lægemiddeludviklere studerer syge celler eller lægemidlers virkemåder ved at nedbryde cellerne og derefter kigge på komponenterne. Eller eksempelvis ved at afprøve medicin på mennesker uden at vide med sikkerhed, hvordan det virker på menneskecellerne.

Ulrik Darling Larsen vurderer, at superlinse-systemet også kan bruges til andre formål. For man kan få detaljerede informationer, som man hidtil kun har kunnet gætte

sig til eller have teorier om, fortæller han.

»Derfor er der næsten uendelige muligheder for, hvad linsen kan bruges til,« siger Ulrik Darling Larsen.

Ud over Alexandra Boltasseva deltager også forskere fra MIC-DTU, ledet af lektor Anders Kristensen. Forskerne har fået en bevilling på 4,2 millioner kroner fra Forskningsrådet for Teknologi og Produktion.

Forskerne forventer, at de med linsen bliver i stand til at afbilde strukturer på "nanoskopisk" niveau - som proteiner og enzymer - ned til omkring 50 nm.

Kunstigt materiale forstørrer
Nanoskopiske strukturer bliver i dag studeret ved hjælp af en type mikroskopi, der hedder SNOM (scanning near-field optical microscopy). Her skal tippen af mikroskopet helt tæt på det, der skal afbildes. Skal strukturer, f.eks. proteiner, inde i cellen studeres, skal cellen ødelægges for at komme tæt nok på, fortæller Alexandra Boltasseva. Desuden anvendes ofte tippe af metal, og det kan forstyrre molekylerne i cellen og dermed cellens funktionalitet.

»Biomolekyler er meget følsomme over for ændringer i det elektrokemiske miljø, der omgiver dem. SNOM-tippen kan påvirke miljøet, og det kan give et forkert billede af det, man måler,« siger Anders Kristensen.

Med superlinsen bliver det muligt at holde afstand til biomolekylerne.

»Molekylerne bliver ikke forstyrret af et fremmedlegeme. Så vi får mulighed for at vise et sandt billede af processerne i cellerne,« siger Anders Kristensen.

Linsen skal fremstilles i et helt nyt, kunstigt materiale, som forskerne udvikler ved at sammensætte to forskellige typer materiale f.eks. glas og sølv.

Hermed kan forskerne selv vælge, hvilke optiske egenskaber materialet skal have. Naturlige materialer, eksempelvis glas, har nemlig særlige optiske egenskaber, som begrænser hvor meget disse materialer kan forstørre. Med det kunstige materiale kan selv de mindste detaljer vises, fortæller Alexandra Boltasseva.

Målet er en prototype
Første udfordring bliver at udvikle materialet til linsen i en tilstrækkelig god kvalitet, fortæller Alexandra Boltasseva. Dette skal foregå i renrumsfaciliteterne på DTU. Herefter skal materialet integreres med en chip med såkaldte nanovæske-kanaler. Disse bliver udviklet på MIC-DTU, hvor de bliver anvendt til forskellige analyser af biologiske molekyler. De kaldes derfor også "lab-on-a-chip".

Forskningsprojektet strækker sig over tre år. I den periode skal Alexandra Boltasseva med hjælp fra to ph.d.-studerende, som er tilknyttet projektet, dels lave en del grundforskning, hvor de får styr på fysikken i linse-teknologien. Men målet er også at have en prototype klar, som de kan arbejde videre med.

Alexandra Boltasseva ser store muligheder i teknologien, som hun forventer kan anvendes kommercielt i industrien.

»Men nu skal vi først viser, at det virker,« siger hun.

- Naturens egne materialer, eksempelvis glas, bliver traditionelt brugt til linser. De kan dog kun afbilde objekter med en begrænset detaljeringsgrad. Denne begrænsning, der kaldes diffraktionsgrænsen, svarer til halvdelen af lyskildens bølgelængde.

Bølgelængden for synligt lys ligger mellem 380 og 740 nm.

Det er således ikke muligt at se objekter mindre end halvdelen af dette. Med ikke-naturlige materialer er det muligt at afbilde objekter, der er mindre end diffraktionsgrænsen - helt ned til 50 nm. Til dette anvendes kunstigt fremstillede metamaterialer. Små enhedsceller, som er meget mindre end lysets bølgelængde, bestående af glas og sølv bliver samlet i et materiale, som så er et metamateriale.

- Målet er at fremstille et materiale, hvor brydningsindekset er negativt. Brydningsindekset er et udtryk for, hvordan lyset afbøjes i et givent materiale. I naturlige materialer er brydningsindekset normalt positivt. Meta-materialet vil således bryde lyset den modsatte vej af naturlige materialer.

I en "perfekt linse" er brydningsindekset minus én. DTU-forskernes projekt er dog mindre ambitiøst, og her er målet at udvikle en "superlinse" som er mere realistisk at fremstille.

Det præcise brydningsindeks kendes endnu ikke, men pointen er, at det skal være negativt. Til sammenligning er brydningsindekset for luft plus 1 og for glas 1,5.

- Linsen i sig selv skal være ganske tynd. Formentlig omkring 30-50 nm.