De gauche, Yao Shen, un candidat à la maîtrise en génie mécanique au Worcester Polytechnic Institute (WPI), Yuxiang "Shawn" Liu, professeur assistant en génie mécanique, et le doctorant Chaoyang Ti avec l'appareil qu'ils utilisent pour tester des pincettes optiques qui utilisent des fibres optiques au lieu de lentilles. Crédit :Institut polytechnique de Worcester
Dans un article publié en Rapports scientifiques sur la nature , une équipe de chercheurs du Worcester Polytechnic Institute (WPI) a démontré comment un appareil qui utilise des faisceaux de lumière pour saisir et manipuler de minuscules objets, y compris les cellules individuelles, peut être miniaturisé, ouvrant la porte à la création d'appareils portables suffisamment petits pour être insérés dans la circulation sanguine pour piéger les cellules cancéreuses individuelles et diagnostiquer le cancer à ses premiers stades.
La technique, connue sous le nom de pince à épiler optique, utilise des faisceaux optiques de lumière laser pour créer un champ de force attrayant qui peut contenir, ou piège, petits objets en place sans contact physique. Les pincettes optiques traditionnelles concentrent la lumière avec une lentille large et coûteuse, ce qui rend l'appareil encombrant et sensible aux fluctuations environnementales. Ces limitations rendent les pincettes optiques impossibles à utiliser en dehors du laboratoire.
Dans leurs Rapports scientifiques papier ("Objective-lens-free Fiber-based Position Detection with Nanometer Resolution in a Fiber Optical Trapping System, ") une équipe dirigée par Yuxiang "Shawn" Liu, professeur assistant en génie mécanique, explique comment il a pu remplacer les lentilles par de minuscules fibres optiques et miniaturiser l'appareil.
"Actuellement, faire un test de dépistage du cancer, vous devez attendre qu'il y ait une tumeur visible ou un volume suffisant de cellules cancéreuses dans un échantillon de sang, " dit-il. " A ce moment-là, le cancer peut être avancé. Mais le cancer commence avec des cellules individuelles. Si les médecins pouvaient séparer ces cellules parmi des millions de cellules sanguines, nous pourrions détecter le cancer beaucoup plus tôt, à un point où il n'est pas visible à l'aide d'autres techniques. Cela pourrait faire avancer les diagnostics de mois voire d'années, et rendre le traitement beaucoup plus efficace."
Démontré pour la première fois dans les années 1980, les pincettes optiques sont devenues un outil essentiel pour les scientifiques en biologie, chimie, et la physique pour réaliser des expériences aux échelles moléculaire et cellulaire. Puisqu'ils peuvent piéger de petits objets et les maintenir en place, loin du contact avec tout ce qui pourrait altérer leur état ou leur fonction, la pince à épiler permet d'étudier des matériaux ou des cellules individuelles sans les retirer de leur environnement d'origine.
Gros plan sur une partie de la pince à fibre optique développée par une équipe de recherche du Worcester Polytechnic Institute (WPI). Les deux fibres vues ici projettent des faisceaux de lumière laser qui se croisent pour créer un piège optique tridimensionnel qui peut retenir et déplacer des cellules individuelles. Crédit :Institut polytechnique de Worcester (WPI)
Bien que les appareils puissent être utiles sur le terrain (pour tester des échantillons d'eau ou de sol, par exemple) ou dans les hôpitaux et cabinets médicaux, leur conception actuelle les rend trop grands (environ 2 à 3 pieds de haut et environ 2 pieds de large) et trop sensibles (leur précision peut être affectée par un léger courant d'air) pour être utiles en dehors d'un environnement de laboratoire hautement contrôlé.
Pour réduire la taille de l'appareil, briquet, et plus portable, Liu a décidé de remplacer la lentille par des fibres optiques en verre. Mais comme une fibre optique est extrêmement fine (environ la largeur d'un cheveu humain), sa pointe est trop petite pour servir de lentille, ainsi une seule fibre ne peut pas focaliser un faisceau laser assez intensément pour créer un piège optique. Liu a découvert qu'il pouvait créer un piège optique tridimensionnel en utilisant deux fibres pour projeter des faisceaux de lumière qui se croisent. De cette façon, il pouvait maintenir un minuscule objet sphérique en place tout en déterminant simultanément sa position avec une précision nanométrique et en mesurant la force de la prise du piège sur l'objet.
"Cela prouve que nous n'avons pas besoin de l'objectif pour créer le piège, " dit Liu, qui travaille sur ce projet depuis environ 12 ans. « Si nous voulons avoir un petit, système portatif, nous n'avons besoin que de fibres optiques pour piéger et mesurer les cellules."
En utilisant des fibres optiques, Liu a déclaré qu'il pouvait fabriquer des pincettes optiques plus robustes et 100 fois plus petites que les versions traditionnelles. Avec des recherches supplémentaires, il a dit qu'il croyait pouvoir créer un dispositif clinique de la taille d'une seringue ordinaire qui pourrait être inséré dans un vaisseau sanguin pour piéger des cellules individuelles. Il a dit que la pince à épiler pourrait même faire partie d'un laboratoire sur puce de la taille d'un timbre-poste, qui intègre quelques fonctions de laboratoire sur un circuit intégré. Les puces pourraient être vendues dans les pharmacies afin que les patients puissent se tester à domicile.
Liu collabore avec Qi Wen, professeur agrégé de physique, et Songbai Ji, professeur agrégé de génie biomédical. Doctorants Chaoyang Ti (génie mécanique), Yao Shen (génie mécanique), et Minh-Tri Ho-Thanh (physique) font également partie de l'équipe de recherche.
Alors que les applications cliniques de la pince à fibre optique peuvent prendre plusieurs années, l'équipe de recherche travaille à affiner encore son dispositif, créer un nouvel emballage pour protéger les pointes cassantes des fibres optiques et rendre la pince à épiler plus conviviale pour les autres chercheurs. Ils s'efforcent également de trouver de petits, sources laser et détecteurs optiques bon marché.
