Mit Nano-Lasern ins Innere der Zellen
Nur rund 2,5 Mikrometer im Durchmesser ist der Mini-Laser, den Forscher in Zellen einschleusen um sie farblich zu markieren. | © Foto: Harvard Medical School

Mit Nano-Lasern ins Innere der Zellen

13. August 2019 | von Thorsten Naeser

Mediziner der Harvard Medical School haben mikroskopisch-kleine Laser in Zellen eingeschleust. Sie können nun jede Zelle individuell mit einer einzigen Wellenlänge des Lichts markieren und ihren Lebenszyklus verfolgen.

Wie klein kann man einen Laser bauen? Es geht erstaunlich klein. Sogar so klein, dass man sie in Organismen einschleusen kann. Das haben Forscher von der Harvard Medical School um Prof. Seok-Hyun nun getan. „Wir haben eine neue Generation Laser entwickelt, die man in lebende Zellen einschleusen kann“, erklärt Dr. Nicola Martino, Forscher im Team um Seok-Hyun Yun. Die Mini-Laser sind biokompatibel und beanspruchen nur rund 0,1 Prozent des Volumens einer typischen Zelle. Zudem stören die Laser die Zellen nicht in ihrer Funktion.

Die Mini-Laser aus Halbleitermaterial haben eine Plättchen-Form, einen Durchmesser von rund 2,5 Mikrometer und eine Dicke von 200 Nanometer (Zum Vergleich: Eine durchschnittliche menschliche Zelle ist rund 20 Mikrometer groß). Die scheibchenförmigen Laser arbeiten nicht wie herkömmliche Laser, bei denen Licht in einem Resonator zwischen zwei Spiegeln reflektiert und von außen verstärkt wird. Das Nano-System besteht aus so genannten „Whispering Gallery Mode Cavity“ Resonatoren.

Dabei ist das aktive Laser-Material der Halbleiter selber. Das in diesem Nano-System erzeugte fluoreszierende Licht wird in dem Resonator durch Totalreflexion an seinen Wänden gehalten. So dient der Halbleiter sowohl als Resonator und aktives Laser-Material. Jedes System emittiert Licht einer charakteristischen Wellenlänge zwischen 1200 und 1600 nm. Die exakte Farbe des Lichts wird bestimmt durch die Form des Mini-Lasers und seinem Durchmesser. So können die Forscher mehr als 400 verschiedene Farben erzeugen, indem sie den Durchmesser der Laser-Plättchen variieren. Die Laser-Plättchen werden dann mit einer 100 Nanometer dicken Schicht Kieselerde überzogen. Diese Schicht schützt zum einen die Plättchen vor der wasserhaltigen Umgebung in den Zellen. Zum anderen dient sie als Schutz für die Zellen vor giftigen Stoffen, die der Halbleiter abgeben würde.

Im Labor nehmen die Zellen die Mikrolaser quasi von selbst auf, durch die so genannte Makropinozytose. Dabei bauen Zellen automatisch Stoffe von außerhalb in ihren Organismus ein. „Wir verwenden die Laser um Zellen zu markieren und ihren Weg durch komplexe biologische Systeme zu verfolgen. „Die Laser sind quasi ein Barcode, um Zellen voneinander zu unterscheiden“, erklärt Nicola Martino.

Die Forscher glauben, dass die Laser im Kampf gegen Tumore eingesetzt werden können. In einem wachsenden Tumor markierten sie mit den Lasern tausende einzelne Zellen. So konnten sie ihre Aktivität über mehrere Tage verfolgen. Der große Vorteil unserer Methode ist, dass wir sehr viele unterschiedliche Zellen mit den Lasern sehr genau markieren können, weil die Plättchen Licht mit genau einer spezifischen Wellenlänge emittieren“, erklärt Martino.

Tumore sind extrem heterogen und bestehen aus sehr unterschiedlichen Zellen. „Das ist der Grund warum Tumore so schwer zu bekämpfen sind“, sagt Martino. „In Zukunft können wir detaillierter beobachten, wie Krebszellen wachsen und Zellen identifizieren, die sehr schnell Matastasen bilden“, so Martino. „Ebenso werden wir einzelne Zellen über die Farbcodierung besser isolieren und deren genetisches Profil bestimmen können“, ergänzt Martinos Kollege Sheldon J.J. Kwok. Somit hoffen die Forscher Krebs in Zukunft effektiver und gezielter bekämpfen zu können.