Biofotonikkens nye værktøj: Laserstyrede mikrorobotter
Såkaldte cirkulerende tumorceller, der udsendes fra kræftceller til blodkredsløbet, er med til at sprede kræft til andre organer i kroppen.
Der findes allerede systemer på markedet, også danske, der kan identificere og tælle sådanne celler.
»Men tænk, hvis man kan probe og karakterisere cirkulerende tumorceller i en blodprøve enkeltvis med fjernstyrede mikrorobotter. Det har potentialet til at revolutionere kræftbehandlingen,« siger professor Jesper Glückstad fra DTU.
Hans forskergruppe har udviklet sådanne små mikrorobotter med en størrelse på 40 x 40 mikrometer, der kan forsynes med en spids med en dimension ned til ca. 25 nanometer. Herved kan de mekanisk påvirke cellen eller ligefrem skyde kemikalier, som proben medbringer, ind i den.
Han fortæller, at mikrorobotterne i samarbejde med britiske forskere snart skal afprøves netop på cirkulerende tumorceller.
Artiklen fortsætter under grafikken
I en ny artikel i Nature-tidsskriftet Light: Science & Applications (LSA) har Jesper Glückstad beskrevet, hvordan man fremstiller og styrer sådanne mikrorobotter – eller mikrodroner, som han også kalder dem. Det har han gjort sammen med Mark Villangca og Darwin Palima fra sin forskningsgruppe på DTU Fotonik og i samarbejde med Andrew Bañas fra spinoff-firmaet OptoRobotix, som Jesper Glückstad stiftede i 2011.
Kombination af forskningsområder
Forskningsfeltet kombinerer de nyeste fremskridt inden for fotonik, nanoteknologi og bioteknologi.
Jesper Glückstad forklarer, at det er et område, hvor der gennem de senere år er opnået store forskningsmæssige gennembrud, som det bl.a. blev markeret med Nobelprisen i kemi i 2014.
Denne pris blev givet for udviklingen af en snedig optisk teknik til at studere forhold på nanoskala, som overgår den velkendte diffraktionsgrænse, der siger, at den bedste opløsning, man kan opnå, er en halv bølgelængde af det anvendte lys. Med synligt lys er denne grænse omkring 0,2 mikrometer.
Med brug af fluorescerende molekyler gik man så at sige fra mikroskopi til nanoskopi.
»Vi har dog brug for værktøjer, der ikke kun tillader passiv observation af nanoskopiske fænomener, men som også tillader os at ‘række ind’ og direkte manipulere og vekselvirke med bestanddele på nanoskala,« siger Jesper Glückstad.
Styring med laserstråler
Det er her, mikrorobotterne kommer ind i billedet.
Siden 1980’erne har man kendt til, at man kan fange små partikler med laserstråler og dermed også flytte dem rundt ved at bevæge laserstrålerne.
Partiklerne søger ind mod midten af hver enkelt laserstråle, da afbøjningen af lys gennem partiklen giver partiklen en kraftpåvirkning i denne retning. Er laserstrålen tilmed skarpt fokuseret, vil partiklerne blive indfanget i laserstrålens fokuspunkt.
Det er muligt at lave optiske pincetter med en enkelt laserstråle, men allerede for ca. 10 år siden udviklede Jesper Glückstad en biofotonisk arbejdsstation, hvor man med modsatrettede laserstråler, der belyser en prøve både fra oven og fra neden, kan fastholde og manipulere partikler i tre dimensioner inden for arbejdsfeltet på 100 µm x 100 µm x 250 µm.
Artiklen fortsætter under grafikken
Den biofotoniske arbejdsstation er udgangspunktet for at håndtere de nye mikrorobotter, som fremstilles med en relativt ny form for 3D-laserprintingteknik, som er særligt velegnet til lave strukturer på mikro- og nanoskala.
Mikrorobotterne fremstilles med en 3D-laserprinter baseret på en teknik som kaldes to-foton mikrofabrikation, der er udviklet gennem de seneste 20 år. Sender man laserpulser med varighed af størrelsesordenen 100 femtosekunder (1 fs = 10-15 sekund) mod en gel, der indeholder en særlig fotoinitiator, kan man opnå en fotopolymerisation, der danner en fast tilstand i et meget lille volumen. Når teknikken kaldes to-foton mikrofabrikation, er det fordi, man skal levere to fotoner til materialet inden for et meget kort tidsrum for at opnå denne effekt.3D-print i mikroskala
DTU-forskerne har benyttet denne teknik til lave en mikrorobot, som man let kan fylde eksempelvis med kemikalier, som man vil indføre i cellerne.
Med teknologien her kan forskerne ikke styre mikrorobotterne rundt inde i kroppen i f.eks. en blodåre, da laserlyset skal have direkte adgang til mikrorobotterne. Men det vil være muligt at udføre forsøg på levende celler i prøver udtaget fra patienter og i øvrigt bruge mikrorobotterne i anden forskningsmæssig sammenhæng.
Som forskerne skriver i deres videnskabelige artikel, har de en forventning om, at mikrorobotterne kan blive et vigtigt værktøj til forståelse af biologi på mikroskala.
Jesper Glückstad fremhæver over for Ingeniøren, at det er en oplagt mulighed at bruge mikrorobotterne i forbindelse med forskning i pluripotente stamceller, der kan give ophav til de fleste celletyper i den færdige organisme, eller forskning i sjældne sygdomme knyttet til de røde blodlegemer.
Processer i samspil
Han forklarer, at det ikke har været en simpel opgave at få styr på hele processen fra 3D-design af robotterne til 3D-print af dem, efterfølgende opsamling af disse i et kapillærrør og overførsel til den biofotoniske arbejdsstation, hvor de manipuleres i tre dimensioner med lys.
»Det har taget Mark Villangca det meste af hans ph.d.-studium at få alle disse ting til at spille, så det nu næsten er rutine for os – som nogle af de eneste i verden,« siger Jesper Glückstad.
Mark Villangca, der nu fortsætter som post.doc. ved DTU Fotonik, forklarer, at samarbejde med eksperter inden for mikrobiologi nu skal være med til at identificere de mest interessante anvendelser inden for den nyeste gren af nano-biofotonikken.
På jagt efter skarpe studerende
Det vil blive OptoRobotix, der skal forsøge at kommercialisere forskningen. Andrew Bañas fortæller, at der stadig forestår en lang række ingeniørmæssige udfordringer i at producere mikrorobottene og fremstille kompakte instrumenter til styring af dem.
Der findes allerede software til den biofotoniske arbejdsstation, der tillader interaktiv 3D-styring af mikrorobotterne, men også her skal der ske forbedringer:
»Vi fisker efter nogle skarpe studerende fra f.eks. IT Universitetet eller DTU Compute, der kan kode det smartere og indbygge en form for kunstig intelligens,« siger Jesper Glückstad.
