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. Aunque puedan parecer rayos tractores de ciencia ficción, lo cierto es que su desarrollo le valió a los científicos el Premio Nobel en 2018.

Los científicos ya han utilizado supercomputadoras para hacer que las pinzas ópticas sean más seguras para su uso en células vivas, con aplicaciones en terapia contra el cáncer, monitoreo ambiental y más.

«Creemos que nuestra investigación es un paso importante hacia la industrialización de las pinzas ópticas en aplicaciones biológicas, específicamente tanto en cirugía celular selectiva como en administración dirigida de fármacos», afirmó 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 poco antes de completar su doctorado. en ingeniería mecánica, coautor del estudio, Yuebing Zheng de UT Austin, autor correspondiente del artículo.

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

Kollipara y sus colegas llevaron las pinzas ópticas un paso más allá y desarrollaron 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 el atrapamiento 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 demasiada 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 láser. Eventualmente, cuando el objetivo, como una célula biológica, se atasca, la temperatura aún está cerca de la temperatura ambiente, 27 –34° C. Puede fijarlo a una potencia de láser más baja y controlar la temperatura, eliminando así fotones o daño térmico a las células.

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

«Usando pinzas ópticas convencionales, la estructura celular se daña y mueren inmediatamente. Demostramos que no importa en qué tipo de solución se dispersen las células, nuestra técnica puede capturarlas y manipularlas de forma segura. Este fue uno de los hallazgos clave del estudio. «, dijo Kollipara.

Otro descubrimiento se aplica a las aplicaciones de administración de fármacos. Las vesículas plasmónicas, pequeños biocontenedores recubiertos con nanopartículas de oro, quedaron atrapadas sin que se consideraran trasladadas a diferentes lugares dentro de una solución, de manera análoga a dirigir medicamentos a un tumor canceroso objetivo. Una vez que alcanzan el objetivo del cáncer, son alcanzados por un rayo láser secundario para desbloquear la carga útil del fármaco.

“La administración de fármacos inducida por láser es importante porque podemos centrarnos y administrar fármacos a un objetivo específico. De esta manera, la cantidad de medicamento que consume un paciente disminuye significativamente y se puede especificar dónde se puede administrar el medicamento”, añadió Kollipara.

Se requirieron simulaciones por supercomputadora para calcular magnitudes de fuerza en 3D a gran escala sobre partículas de los campos óptico, termoforético y termoeléctrico logrados con una potencia láser específica. Mientras era estudiante de doctorado en 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 obtener solo un punto de datos, y necesitamos miles. TACC nos ayudó 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 directa para este estudio, la investigación del biosensor de plasma de Kollipara también utilizó el sistema Lonestar5 de TACC para ejecutar simulaciones más extensas. Lonestar5, y ahora estrella solitaria6 atiende específicamente a los científicos del Sistema UT a través de la Infraestructura Cibernética de Investigación de la Universidad de Texas (UTRC).

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