Unos diminutos dispositivos ópticos capaces de tomar pequeñas partículas a partir de un líquido, utilizando la fuerza de los fotones, podrían hacer posible la obtención de imágenes e identificación en un chip de células causantes de enfermedades sin la necesidad de utilizar microscopios. Los nuevos tipos de trampas ópticas, desarrolladas por un equipo de físicos de la Universidad de Harvard, están diseñadas para ser integradas dentro de dispositivos de microfluidos, algunos de los cuales están actualmente en pruebas clínicas para el diagnóstico del cáncer y el seguimiento de la respuesta de los pacientes a las terapias. Los investigadores de Harvard han demostrado que sus trampas ópticas puede realizar sobre un chip lo que convencionalmente requeriría el uso de un gran microscopio y un potente láser.

Las trampas ópticas, una tecnología desarrollada en los años 80, normalmente cuesta decenas de miles de dólares y requiere el uso de potentes láseres y microscopios para enfocar la luz en partículas tan pequeñas como un simple átomo. Los fotones no tienen masa, pero sí tienen momento, y al transferir este momento a un átomo, a una molécula o a una célula, los físicos son capaces de controlar el movimiento de la partícula, deteniéndola por completo para su observación, o moviéndola para hacer un seguimiento de su respuesta. Desde su invención, las trampas ópticas se han estado utilizando para llevar a cabo muchos avances científicos básicos. No obstante, el grupo de Harvard, liderado por el profesor asociado de ingeniería eléctrica Kenneth Crozier, espera poder utilizar las trampas ópticas en dispositivos de diagnóstico, fabricándolas lo suficientemente económicas y de reducido tamaño como para que sean prácticas dentro de la medicina.

Las trampas ópticas desarrolladas por Crozier junto a los investigadores de Harvard Ethan Schonbrun y Kai Wang son capaces de atrapar partículas de forma tan firme como los sistemas más complejos. Crozier afirma que las trampas compactas podrían integrarse en microfluidos y ser utilizadas para clasificar y tomar imágenes de células causantes de enfermedades en la sangre, por ejemplo. Los chips de microfluidos pueden transportar las células a través de un fluido y normalmente controlan sus movimientos mediante el uso de barreras físicas y variaciones en la presión y el voltaje. Las trampas ópticas de Crozier podrían llevar suavemente a las células a la superficie del chip para su observación y utilización posterior para clasificar las células en función a su identidad. El grupo presentó sus avances en la conferencia anual de la Sociedad Óptica de América este mes en San José, California.

Mediante el uso de técnicas de manufactura comunes dentro de la industria de los semiconductores, los investigadores de Harvard elaboraron unos chips con dos diseños distintos. Uno es un chip de silicio con un patrón en forma de anillo con un radio de cinco micrómetros. Cuando se ilumina con un láser, la luz resuena alrededor del anillo, generando una fuerza óptica que puede extraer las partículas del líquido que flota por encima del chip. El patrón del otro chip consiste en series de 64 patrones con forma de diana. Cada una de ellas, al ser iluminadas, pueden atrapar una partícula flotante. Es más, estos patrones enfocan la luz de forma muy similar a los microscopios. “Cada uno tiene la función de un microscopio confocal y se podría utilizar para tomar una fotografía en 3D de una célula,” afirma Crozier.

“Si lo que quieres es clasificar células, la óptica de silico es un buen camino a seguir,” afirma Tom Perkins, físico en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Boulder, Colorado. La ventaja de los sistemas de silicio sobre las trampas ópticas convencionales, afirma Perkins, es su compatibilidad tanto con los microfluidos como con los métodos de manufactura que actualmente se utilizan para fabricar chips de ordenador.

Hay un tercer diseño basado en estructuras de oro capaces de generar una forma de energía de luz llamada plasmones. Al iluminar una suave película de oro, la luz se acopla a la superficie en forma de ondas de superficie llamadas plasmones; las fuerzas generadas por estas ondas están muy localizadas y son muy fuertes. Crozier ha demostrado que si se usan patrones de película dorada estrecha y de larga longitud sobre chips de silicio, al ser iluminados por el brillo de luz proveniente de un pequeño prisma, se pueden utilizar para arrastrar hacia abajo una partícula y después empujarla a través de la superficie de oro. Al cambiar el ángulo de la luz, es posible controlar la velocidad de la partícula. Este tipo de estructura será particularmente útil para la clasificación de células, afirma Crozier.

Este tipo de sistemas puede que finalmente acaben reemplazando a los dispositivos de los laboratorios clínicos conocidos como citómetros de flujo, afirma Holger Schmidt, profesor de ingeniería eléctrica y director del Centro Keck de Optofluidicos a Nanoescala en la Universidad de California, Santa Cruz. Hoy día los citómetros de flujo utilizan sistemas ópticos de gran volumen para separar las células en, por ejemplo, muestras de sangre basadas en su tamaño y forma. La óptica a escala de chips podría llevar a cabo la misma tarea pero costaría mucho menos y sería portátil, permitiendo su colocación al lado de las camas de los pacientes. Schmidt, que ha desarrollado sistemas ópticos sensibles y compactos para atrapar orgánulos celulares y detectar partículas de virus individuales, afirma que estas trampas ópticas compactas podrían estar en el mercado dentro de tres a diez años.