Fiberoptik för cellstudier inuti kroppen

Med hjälp av mycket små optiska fibrer kan framtidens cancerdiagnostik och behandling bli mer effektiv. Det hoppas forskarna i ett projekt om multifunktionella fibrer där man bland annat undersöker hur fiberoptik kan användas för medicinska ändamål inuti kroppen.

Projektanslag 2016

Multifunctional fiber optics

Huvudsökande:
Professor Fredrik Laurell

Medsökande:
KTH
Aman Russom
Michael Fokine
Ulf Österberg
Valdas Pasiskevicius
Walter Margulis 

Karolinska Institutet
Matthias Löhr

Norges tekniska- och naturvetenskapliga universitet
Ursula Gibson

Lärosäte:
KTH

Beviljat anslag:
31,8 miljoner under fem år

Det är tack vare optiska fibrer som vi kan surfa på internet och skicka stora datamängder i höga hastigheter härs och tvärs runt jordklotet. I de fiberoptiska kablarna används ljuspartiklar, fotoner, för att överföra information, förklarar Fredrik Laurell som är professor i laserfysik på KTH. Normalt sett håller han till i Albanova, men är nu på besök på SciLifeLab i Solna för att träffa några kollegor som uppfinner medicinska applikationer.

– Fiberoptik är ryggraden i vår kommunikation idag. Man kan säga att 1900-talet var elektronikens århundrade och att 2000-talet är fotonikens. Istället för elektroder och ström använder vi nu ljus och fotoner i ny teknik, och antalet tillämpningar växer hela tiden.

Optiska fibrer och lasrar kan till exempel även användas för att studera celler och bakterier in vivo, i sin naturliga miljö. Fredrik Laurell leder ett femårigt projekt om multifunktionella fibrer som har stöd från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. I projektet samarbetar han med en rad forskare som har olika specialiteter inom området optisk fysik.

– Jag gillar det multidisciplinära arbetet och att jobba med många olika partner. Det här anslaget betyder både att vi får en mycket större frihet i forskningen och att vi kan svetsa samman en större grupp forskare. Det är också ett kvalitetbetyg på det vi gör.

Fyller hålrum med funktion

Stommen i fiberoptiken är små tunna fibrer som tillverkas i kvartsglas, kisel. De är bara 0,1 millimeter tjocka och inuti kan de ha olika hål och kanaler. Dessa håligheter kan sedan fyllas med halvledare, vätskor eller metall för att skapa olika funktioner som är användbara inom biomedicin eller elektronik.

Fredrik Laurell arbetar sedan många år med forskare vid RISE Acreo, som tidigare hette Institutet för optisk forskning. Hans viktigaste samarbetspartner där är Walter Margulis, som även är gästprofessor på KTH, och som också ingår i projektet om multifunktionella fibrer.

– Inom projektet tillverkar Acreo fibrer med olika varianter av hålrum som vi kan stoppa saker i och svetsa ihop i olika kombinationer. Till exempel elektroder för att modulera ljuset, eller leda in vätska i hål som liknar en klassisk kapillär, säger Fredrik Laurell och pekar på en bild på datorn som visar hur det kan se ut.

– Genom att koppla in ljus i centrum av fibern så kan vi studera vätskan med ljuset. Det häftiga är att det är så extremt små dimensioner, men det funkar ändå.

Tittar på celler

Forskarna i projektet vill bland annat utforska möjligheten att föra in den tunna fibern i kroppen för att undersöka celler och organ. Cancerbehandling där fiberoptiken först hittar cancerceller och sedan levererar cytostatika skulle då vara en tänkbar tillämpning, förklarar Fredrik Laurell.

– Det är bakgrunden till samarbetet med SciLifeLab och professor Aman Russom som jobbar med chipbaserade tekniker för cellanalys och cellbehandling. Projektet innehåller både grundläggande och mer tillämpade delar. Men det är en bit kvar innan det blir kliniska studier.

Cancer sprider sig via kroppens vätskeflöden, speciellt i blodet och lymfan. Att hitta dessa celler är som att hitta en nål i en höstack. Visionen är att kunna använda fiberns kapillärer för att skilja sjuka celler från friska. Längre fram i teknikutvecklingen kommer fiberoptiken att testas av professor Mattias Löhr på Karolinska Institutet i Huddinge som forskar om pankreascancer.

– Bukspottkörteln, pankreas, finns bakom magsäcken och är svår att nå. Men om man kan komma in med våra fibrer där, och forsla cytostatika inuti fiberkanalerna, skulle det kunna underlätta diagnos och behandling, resonerar Fredrik Laurell.

Plocka ut celler

I labbet på SciLifeLab demonstrerar Fredrik Laurell en mini-flödescytometer, som med flourescens och fiberoptik kan identifiera och räkna specifika partiklar i en flödande vätska. Traditionella flödescytometrar är mycket större, det här är en förenklad och miniatyriserad variant av tekniken.

– Här har vi byggt ihop den med lite fibrer och små lasrar istället. Vi får ungefär samma kapacitet som en stor dyr apparat, men den kommer kosta 50 000 kronor istället för mer än en miljon.

Systemet kan också användas för att sortera eller plocka ut partiklar ur vätskan, det kan vara celler men också bakterier.

– Än så länge har vi bara jobbat med celler som vi har märkt in med olika fluorescerande ämnen. Vi vill även utveckla teknik som fungerar med autoflourescens, cellers naturlig ljusemission, och andra spektroskopiska diagnosmetoder.

Vätskan i fibern kan också användas som ett lasermedium, och om man suger in celler i fibern finns möjligheter att skapa en levande laser i fibern. Ett annat spännande spår i projektet handlar om hur långvågiga THz-vågor kan genereras i fiber, som skulle kunna användas för exempelvis medicinsk avbildning inne i kroppen.

– Det ligger i pipelinen och vi har tagit de första stapplande stegen, säger Fredrik Laurell.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström