Los científicos utilizan supercomputadoras para hacer que las pinzas ópticas sean más seguras para las células vivas

Las pinzas ópticas manipulan objetos diminutos como células y nanopartículas mediante láser. Si bien pueden parecer rayos tractores de ciencia ficción, el hecho es que su desarrollo les valió a los científicos el Premio Nobel en 2018.

Los científicos ahora han utilizado supercomputadoras para crear pinzas ópticas más seguro de usar en células vivas con aplicaciones para terapia contra el cáncermonitoreo ambiental y más.

“Creemos que nuestra investigación es un paso importante hacia la industrialización de la óptica. pinzas en aplicaciones biológicas, específicamente tanto en cirugía celular selectiva como en cirugía dirigida entrega de drogas“, dijo Pavana Kollipara, recién graduada de la Universidad de Texas en Austin.

Kollipara fue coautor de un estudio sobre pinzas ópticas publicado agosto 2023 en Comunicaciones de la naturaleza, escrito justo antes de completar su doctorado. en Ingeniería Mecánica según el coautor del estudio Yuebing Zheng de UT Austin, autor correspondiente del artículo.

Las pinzas ópticas atrapan y mueven pequeñas partículas porque la luz tiene impulso, que puede transferirse a una partícula impactada. La luz intensificada de los láseres lo amplifica.

Kollipara y sus colegas llevaron las pinzas ópticas un paso más allá al desarrollar un método para mantener fría la partícula objetivo, utilizando un disipador de calor y un refrigerador termoeléctrico. Su método, llamado pinzas optotermoforéticas hipotermales (HOTT), puede lograr la captura de baja potencia de diversos coloides y células biológicas en sus fluidos nativos.

Este último avance podría ayudar a superar los problemas con las pinzas de luz láser actuales porque queman demasiado la muestra para aplicaciones biológicas.

“La idea principal de este trabajo es simple”, dijo Kollipara. “Si la muestra se daña debido al calor, simplemente enfríe todo y luego caliéntelo con el rayo laser. Finalmente, cuando el objetivo, como una célula biológica, queda atrapado, la temperatura todavía está cerca de la temperatura ambiente de 27 a 34 °C. Puedes atraparlo con una potencia láser más baja y controlar la temperatura, eliminando así el daño térmico o de fotones a las células”.

El equipo científico probó su HOTT en glóbulos rojos humanos, que son sensibles a los cambios de temperatura.

“Utilizando pinzas ópticas convencionales, la estructura celular se daña y mueren inmediatamente. Hemos demostrado que, sin importar en qué tipo de solución se dispersen las células, nuestra técnica puede atraparlas y manipularlas de forma segura. Ese fue uno de los principales hallazgos del estudio. el estudio”, afirmó Kollipara.

Otro hallazgo se aplica a las aplicaciones de administración de medicamentos. Las vesículas plasmónicas, pequeños biocontenedores recubiertos de nanopartículas de oro, quedaron atrapadas sin ser trasladadas a diferentes lugares dentro de una solución, de forma análoga a guiar medicamentos hacia un tumor canceroso específico. Una vez que alcanzan el objetivo del cáncer, son golpeados con un rayo láser secundario para abrir el cargamento del medicamento.

“La administración de medicamentos inducida por láser es importante porque podemos enfocarnos y administrar medicamentos en un objetivo particular. De esta manera, la cantidad de medicamentos que consume un paciente disminuye significativamente y se puede especificar en qué lugares se puede administrar el medicamento”, añadió Kollipara.

Se necesitaron simulaciones por supercomputadora para calcular magnitudes de fuerza tridimensionales a gran escala sobre las partículas de los campos óptico, termoforético y termoeléctrico logrados con una potencia láser particular. Mientras que un Ph.D. Estudiante de UT Austin, Kollipara recibió asignaciones en Stampede2 de TACC, un recurso estratégico nacional compartido por miles de científicos.

“El sistema es tan complejo en términos de requisitos de costos computacionales que nuestras estaciones de trabajo locales no pueden soportarlo. Necesitaríamos ejecutar una simulación durante días para lograr un solo punto de datos, y necesitamos miles. TACC nos ha ayudado en nuestro análisis y genera resultados órdenes de magnitud más rápido que cualquier otra cosa que tengamos”, dijo Kollipara.

De manera más amplia y no directamente para este estudio, la investigación de biosensores plásmicos de Kollipara también utilizó el sistema Lonestar5 de TACC para ejecutar simulaciones más extensas. Lonestar5, y ahora estrella solitaria6 atiende específicamente a científicos del Sistema UT a través de la Ciberinfraestructura de Investigación de la Universidad de Texas (UTRC).

“Construir por sí solo un modelo complicado no es suficiente”, afirmó Kollipara. “Es necesario asegurarse de que funcione correctamente mediante la experimentación. Las computadoras portátiles no son suficientes para las necesidades de investigación y desarrollo intensos. Ahí es donde los recursos de supercomputación como los de TACC ayudan a los investigadores a impulsar la investigación y el desarrollo lo más rápido posible y mantenerse al día con necesidades humanas“.