Dr. Ángel Fernández Bravo
Prólogo My Scientific Journal: Los métodos de diagnóstico y estudio de múltiples enfermedades pasan por la utilización de la llamada “imagen in vivo”, una tecnología que permite a médicos e investigadores obtener información de suma valía de una forma segura y fiable, y, lo que es más importante: de una forma no invasiva. No tenemos que irnos muy lejos, los conocidos rayos X son, con sus limitaciones, la primera aproximación a estos métodos, que han evolucionado enormemente y ya están ampliamente instaurados en nuestro día a día (pensemos en la resonancia magnética nuclear, la ecografía, el PET…).
Sin embargo, la investigación no cesa en el estudio de nuevas herramientas que, de forma más eficiente y resolutiva, puedan mejorar la tecnología de la imagen in vivo, haciéndola más potente. Prueba de ello son los trabajos de altísima relevancia y calidad del Dr. Ángel Fernández Bravo, investigador en el Lawrence Berkeley National Laboratory (California, US). Los artículos del Dr. F. Bravo suponen toda una revolución en el uso de los nanoláseres aplicados a la biofotónica, y han sido publicados en revistas del más alto impacto científico, como Nature Nanotechnology, Nature Materials y Nature Communications (su aportación en esta revista ha sido destacada en Nature como uno de los 20 mejores artículos en Física, Ciencia de Materiales, y Química del 2018) (ver referencias 7, 8 y 14). Desde My Scientific Journal nos sentimos profundamente honrados con la contribución que amablemente ha realizado el Dr. Fernández Bravo, en la que nos describe con detalle puntos clave de sus investigaciones.
Ángel F. Bravo para My Scientific Journal. La radiación láser se produce a través de la amplificación de la luz por emisión estimulada cuando un fotón resonante relaja un estado electrónico excitado a un nivel de menor energía. La luz de un láser es monocromática y coherente, en contraste con la generada por un LED (diodos emisores de luz) que puede ser razonablemente monocromática pero no es coherente, o la luz solar, que no es ni monocromática ni coherente (Fig. 1). La población de electrones en el estado excitado depende fuertemente de la energía. Las cavidades láser se utilizan típicamente para restringir la luz y hacerla interactuar con el medio de ganancia múltiples veces, mejorando así el proceso de emisión estimulada. Al hacerlo, dan lugar a modos característicos (ondas estacionarias dentro de la cavidad) a los que la luz emitida se acopla preferentemente. Si por ejemplo, cambiamos la distancia x(t) de uno de los espejos de la cavidad representada en la Fig. 1, esto resultará en un desplazamiento espectral (dλ) de la resonancia de la cavidad o del modo que permite la sintonización de la longitud de onda de emisión del láser. Si las cavidades tienen un tamaño de cientos de nanómetros a micrómetros, nos referimos a ellas como nano- y microláseres.
Figura 1. Propiedades de la luz para varias fuentes. La luz solar exhibe una radiación incoherente no monocromática, mientras que la luz LED puede ser monocromática pero incoherente, y los láseres con propiedades de emisión monocromáticas y coherentes. Ein es para el campo eléctrico de entrada, E0 el campo eléctrico dentro de la cavidad, m es el espejo, x(t) es el desplazamiento del espejo, y dλ es el desplazamiento espectral.
En el pasado, los láseres a nanoescala tenían limitaciones, ya que requerían altas potencias y/o temperaturas criogénicas, que hacían que su funcionamiento fuera poco práctico en muchos entornos [1] , por ejemplo, las comunicaciones ópticas [2] y la fotónica integrada [3] , que se prevé que alcancen tamaños de mercado de 19.000 y 1.000 millones de dólares, respectivamente, en 2020. Los avances logrados en el último decenio han hecho que los pequeños láseres sean más accesibles y ahora pueden aplicarse en la fotónica integrada para añadir funcionalidad adicional a los dispositivos fotónicos compactos. La biofotónica, el uso de la luz para investigar y manipular sistemas biológicos, se ha convertido en una industria de 50.000 millones de dólares en las últimas décadas. Durante mucho tiempo, los científicos han tratado de incorporar pequeños láseres a los tejidos vivos con el fin de utilizarlos como sensores y sistemas de actuación [5,6]. Recientemente, unos resultados prometedores de mi grupo de investigación en la Universidad de St. Andrews mostraron el uso de microláseres de polímeros dopados con colorante en modo de galería de susurros, o del Inglés whispering gallery modes (WGM) para la detección y posible activación de tejido cardíaco (Fig. 2) [4]. Los resonadores WGM son excelentes sensores que pueden cambiar sus resonancias en respuesta a los estímulos recibidos, en este caso, las contracciones del tejido cardíaco. Los cambios en las dimensiones y/o el índice de refracción afectarán a la longitud de onda de la resonancia (λres) de la siguiente manera: 2πRn = l λres, donde R es el radio, n el índice de refracción modal y l el número de modos. Resulta que las contracciones del tejido cardíaco inducen un cambio local en el índice de refracción que rodea a los láseres, lo que da lugar a un pequeño desplazamiento de sus resonancias. Esto proporciona un método para monitorizar la actividad cardíaca y detectar anomalías en ella.
Figure 2. Imagen a través de tejidos vivos tomadas usando NIR. a. Seguimiento de partículas UCNPs a través de 4 mm de tejido graso en un ratón vivo. Excitación con 980 nm usando una potencia de tan solo 0.1 W/cm2. Se pudo estudiar y seguir las partículas por periodos prolongados de tiempo (6 h) sin causar trauma alguno al animal. [11].
Sin embargo, los microláseres utilizados hasta ahora son grandes (>10 µm) y requieren un bombeo óptico con pulsos láser de nanosegundos en el visible. Esto dificulta operar en los tejidos debido a la baja transmisión de la luz en esta región espectral, e impide la ingeniería de dispositivos fotónicos para operar in vivo. La solución a esto puede venir del diseño de nanoláseres que trabajen a longitudes de onda más largas dentro del infrarrojo (IR), con una mayor penetración en los tejidos. El cambio a longitudes de onda más largas para monitorizar las células y los organismos vivos mediante la luz IR reduce al mínimo la dispersión y la absorción, lo que permite detectar imágenes y señales a gran profundidad, obteniéndose imágenes más precisas y de forma segura. La luz en la ventana NIR II (región II del infrarrojo cercano, de 1000-1700 nm), especialmente alrededor de 1400 nm, ofrece una mayor penetración, menos dispersión y menos o ningún daño a los tejidos biológicos, lo que permite tiempos de exposición más largos y seguros [10,11]. Recientemente participé en la realización de nuevas nanopartículas que convierten luz de baja energía (longitudes de onda largas) a luz de alta energía (longitudes de onda cortas), conocidas en Inglés como upconverting nanoparticles (UCNP). Estas partículas son capaces de convertir la luz de excitación en el infrarrojo cercano en emisiones en las regiones ultravioleta, visible, o infrarrojo cercano de menores longitudes de onda mediante un proceso de absorción de múltiples fotones, con una respuesta no lineal gigante a 1450 nm, que las posiciona como candidatas ideales para la integración en los tejidos [12]. Son medios de ganancia atractivos para el láser debido a su alta estabilidad, baja degradación, robustez, ausencia de toxicidad [13] y propiedades ópticas [7,11,14-16]. En mi investigación, logré la obtención de imágenes in vitro a través de 1 mm de tejido cerebral, utilizando una combinación de longitudes de onda NIR (excitación: 1064 nm, emisión: 800 nm). También contribuí a desarrollar fuentes de luz para el seguimiento in vivo y la imagen de las nanopartículas a través de un tejido de 4 mm en un ratón vivo [14].
Una de las principales innovaciones consiste en trasladar estos éxitos de la emisión espontánea utilizada en trabajos anteriores a la tecnología láser. Los nuevos nanoláseres pueden activarse utilizando luz IR que no es absorbida por los tejidos, y convertir localmente la energía en luz láser de banda estrecha de frecuencias más cortas. Esto permite una penetración más profunda y abordar tejidos de volúmenes pequeños y bien definidos. Se espera que los láseres puedan situarse a una profundidad de hasta centímetros, donde la luz de 1450 nm aún puede penetrar para excitarlos, comparado con el límite de 100 µm de profundidad para la luz verde, o 1 mm para la luz corta del NIR [11].
Recientemente, he descubierto nuevas clases de micro y nanoláseres multifotónicos que pueden funcionar a temperatura ambiente (y también a temperaturas fisiológicas), y que pueden ser excitados en el infrarrojo cercano y por medio de onda continua (CW) en lugar de una excitación pulsada [7,8] (Fig. 3). Los láseres se basan en nanopartículas UCNP cuyas emisiones (660, 800 nm) se desplazan cientos de nanómetros con respecto a la energía de excitación (980, 1064 nm). Por lo tanto, estos láseres presentan una emisión sin ruido de fondo (no se requiere ningún filtro, lo cual permite diseños ópticos más sencillos) y por lo tanto tienen un mayor contraste en comparación con otras fuentes de láser. Estos diseños simplificados funcionan en casi cualquier longitud de onda. Adicionalmente, parte de los esfuerzos de fabricación se basan en la química coloidal, y por lo tanto permiten un escalado agresivo, mucho más allá de lo que se consigue con la nanolitografía. El nuevo diseño del láser preservará la integridad del tejido operando a longitudes de onda (IR) y potencias (W/cm2) seguras [9] con tamaños menores a 2,5 µm causando poca alteración en el tejido vivo.
Esta investigación podría suponer un cambio de paradigma en el uso de pequeños láseres para la biomedicina, para la detección precoz de enfermedades, y constituir una parte integral de las terapias, por ejemplo, actuando sobre órganos específicos como el corazón, los nervios periféricos y las neuronas del cerebro, todo ello utilizando la luz. Esto reducirá la carga de energía, el tiempo y el costo de un dispositivo funcional. Y podría incluso ser usado para detectar y tratar infecciones virales minimizando la carga de agente invasor de manera oportuna antes de que cause alteraciones biológicas.
Una de las principales innovaciones consiste en trasladar estos éxitos de la emisión espontánea utilizada en trabajos anteriores a la tecnología láser. Los nuevos nanoláseres pueden activarse utilizando luz IR que no es absorbida por los tejidos, y convertir localmente la energía en luz láser de banda estrecha de frecuencias más cortas. Esto permite una penetración más profunda y abordar tejidos de volúmenes pequeños y bien definidos. Se espera que los láseres puedan situarse a una profundidad de hasta centímetros, donde la luz de 1450 nm aún puede penetrar para excitarlos, comparado con el límite de 100 µm de profundidad para la luz verde, o 1 mm para la luz corta del NIR [11].
Recientemente, he descubierto nuevas clases de micro y nanoláseres multifotónicos que pueden funcionar a temperatura ambiente (y también a temperaturas fisiológicas), y que pueden ser excitados en el infrarrojo cercano y por medio de onda continua (CW) en lugar de una excitación pulsada [7,8] (Fig. 3). Los láseres se basan en nanopartículas UCNP cuyas emisiones (660, 800 nm) se desplazan cientos de nanómetros con respecto a la energía de excitación (980, 1064 nm). Por lo tanto, estos láseres presentan una emisión sin ruido de fondo (no se requiere ningún filtro, lo cual permite diseños ópticos más sencillos) y por lo tanto tienen un mayor contraste en comparación con otras fuentes de láser. Estos diseños simplificados funcionan en casi cualquier longitud de onda. Adicionalmente, parte de los esfuerzos de fabricación se basan en la química coloidal, y por lo tanto permiten un escalado agresivo, mucho más allá de lo que se consigue con la nanolitografía. El nuevo diseño del láser preservará la integridad del tejido operando a longitudes de onda (IR) y potencias (W/cm2) seguras [9] con tamaños menores a 2,5 µm causando poca alteración en el tejido vivo.
Esta investigación podría suponer un cambio de paradigma en el uso de pequeños láseres para la biomedicina, para la detección precoz de enfermedades, y constituir una parte integral de las terapias, por ejemplo, actuando sobre órganos específicos como el corazón, los nervios periféricos y las neuronas del cerebro, todo ello utilizando la luz. Esto reducirá la carga de energía, el tiempo y el costo de un dispositivo funcional. Y podría incluso ser usado para detectar y tratar infecciones virales minimizando la carga de agente invasor de manera oportuna antes de que cause alteraciones biológicas.
Figura 3. Nanoláser de conversión ascendente de CW en matrices de nanopilares de Ag a temperatura ambiente. a, Esquema del recubrimiento de UCNP sobre matrices de Ag con espaciamiento a0 = 450 nm. Los nanopilares de Ag tienen un diámetro de 80 nm, una altura de 50 nm y las estructuras se pueden fabricar en áreas de cm2. La película de la UCNP tiene un grosor aproximado de 150 nm. b, Micrografía electrónica de barrido que muestra la matriz de nanopilares de Ag con un recubrimiento conformado parcial (derecha) con partículas UCNP (NaYF4:Yb3+, Er3+) de 14 nm de diámetro. Barra de escala, 1 µm. c, Representación del campo cercano |E|2 para los nanopilares de Ag espaciados 450 nm en resonancia (n = 1,46), simulación Finite-difference time-domain (FDTD). Barra de escala, 500 nm. c, Imagen representativa de una microesfera láser que muestra los modos ópticos que circulan alrededor de la cavidad. La excitación se produce en un punto limitado por la difracción, según lo marcado. Barra de escala, 1 µm. Figura adaptada de las refs. 7 y 8.
Referencias
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2. Optical Communication and Networking Equipment Market. 11. https://www.marketsandmarkets.com/MarketReports/Optical- networking-communications-market-227693036.html (2020).
3. Silicon Photonics Market. https://www.marketsandmarkets.com/Market- 12. Reports/silicon-photonics-116.html (2020).
4. Schubert, M. et al. Monitoring contractility in cardiac tissue with 13. cellular resolution using biointegrated microlasers. Nat. Photonics 14, 452–458 (2020).
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6. Humar, M. & Yun, S. H. Intracellular microlasers. Nat. Photonics 9, 15. 572–577 (2015).
7. Fernandez-bravo, A. et al. Continuous-wave upconverting nanoparticle microlasers. Nat. Nanotechnol. 13, 572– 577 (2018).
8. Fernandez-Bravo, A. et al. Ultralow-threshold, continuous-wave upconverting lasing from subwavelength plasmons. Nat. Mater. 18, 1172–1176 (2019).
9. DeLisi, M. P. et al. Suprathreshold laser injuries in excised porcine skin for millisecond exposures at 1070 nm. J. Biomed. Opt. 23, 1 (2018).
10. Hong, G. et al. Through-skull fluorescence imaging of the brain in a new near-infrared window. Nat. Photonics 8, 723–730 (2014).
11. Levy, E. S. et al. Energy-looping nanoparticles : Harnessing excited- state absorption for deep-tissue imaging. ACS Nano 10, 8423–8433 (2016).
12. Lee, C. et al. Giant nonlinear optical responses from photon avalanching nanoparticles.
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17. Liu, Y. et al. Controlled Assembly of Upconverting Nanoparticles for Low-Threshold Microlasers and Their Imaging in Scattering Media. ACS Nano 14, 1508–1519 (2020).
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17. Liu, Y. et al. Controlled Assembly of Upconverting Nanoparticles for Low-Threshold Microlasers and Their Imaging in Scattering Media. ACS Nano 14, 1508–1519 (2020).
Documentación y redacción
Ángel F. Bravo para My Scientific Journal 08/11/2020
Ángel Fernández BravoRedactor My Scientific
Lawrence Berkeley National Laboratory, California (US)