ملاقط بصرية مرنة ومطاطة على رقاقة للتحكم عالي الإنتاجية بالجسيمات الحيوية

حبل ضوء صغير للجِراثيم والخلايا

تخيل أن بإمكانك الإمساك بجسيمات مفردة—بكتيريا، شظايا خلوية، أو حتى جزيئات بحجم الفيروس—وترتيبها ودراستها دون لمسها مطلقًا، فقط باستخدام حزم ضوئية موضوعة على شريط مرن يمكن أن يجلس فوق نسيج حي. هذا ما تعد به تقنية جديدة تُسمى الملاقط البصرية المرنة والمطاطة على رقاقة (FSOT)، والتي قد تساعد الأطباء والباحثين على تحليل العوامل الممرضة، اختبار الأدوية، ومراقبة كيف تهاجم الخلايا المناعية الغزاة بطرق كانت صعبة التحقيق سابقًا.

لماذا يهم الإمساك بجسيمات مفردة

تترك العديد من الأمراض آثارها الأولى في قطع صغيرة: بكتيريا، فيروسات، وحُزم نانوية تُسمى الإكسوزومات التي تطلقها الخلايا في محيطها. إن الإمساك بهذه الجسيمات وتحريكها واحدة تلو الأخرى يمكن أن يكشف كيف تبدأ العدوى، كيف تعمل الأدوية، وكيف تتواصل الخلايا مع بعضها. الأدوات الحالية—التي تستخدم الموجات الصوتية أو المجالات الكهربائية أو المغناطيس أو أشعة الليزر المركزة بقوة—يمكنها حبس الجسيمات، لكنها غالبًا ما تتعامل مع عدد قليل فقط في كل مرة، أو تكافح مع أهداف صغيرة جدًا، أو تعتمد على رقائق صلبة لا يمكن وضعها بسهولة على أسطح منحنية أو متحركة.

تحويل فقاعات الصابون إلى بصريات دقيقة

حل الباحثون هذه المشكلة ببناء غابات من العدسات الدقيقة على قاعدة ناعمة. أولًا رشّوا جسيمات حساسة للضوء من ثاني أكسيد التيتانيوم—كل واحدة بعرض بضعة ميكرومترات—على غشاء صابوني فائق الرقة. باستخدام ليزر ضعيف، عدّلوا بلطف توتر سطح الغشاء بحيث يمكن دفع هذه الجسيمات وتدويرها لترتيبها في أنماط مضغوطة ومحددة، مثل كرات المرمر المصطفة في شبكة مثالية. ثم نُقلت هذه المصفوفة المنتظمة من العدسات الدقيقة إلى سيليكون مطاطي أو مباشرة إلى أسطح غير مستوية مثل أنابيب معدنية، أوراق نبات، جلد، وحتى نسيج أمعاء. عندما يمر ليزر ثانٍ عبر المصفوفة، تضيق كل عدسة صغيرة الضوء إلى عمود رفيع جدًا، يُسمى شعاعًا نانوفوتونيًا، مُنتجة مئات إلى ألف بقعة مضيئة صغيرة تعمل كـ "حبال ضوئية" للجسيمات.

حبس عالي السرعة وفرز ذكي

باستخدام هذه البقع الضوئية، أظهر الفريق أن FSOT يمكنه التقاط أعداد هائلة من الجسيمات دفعة واحدة. كرات بلاستيكية صغيرة بحجم 95 نانومتر وحتى 2 ميكرومتر، إلى جانب أهداف بيولوجية حقيقية—إكسوزومات، بكتيريا E. coli وS. aureus، وخلايا الطحالب—تم حبسها جميعًا في مصفوفات مرتبة خلال ثوانٍ. تعتمد قوة القبضة الضوئية على حجم الجسيم وقوة الليزر: الجسيمات الأكبر تشعر بقوى سحب أقوى، بينما تحتاج الأصغر مزيدًا من الطاقة ليتم الإمساك بها. من خلال ضبط شدة الليزر، استطاع الباحثون تحرير حجم واحد من الجسيمات مع إبقاء حجم آخر محبوسًا، محققين بذلك فرزًا فعالًا للعينات المختلطة. على سبيل المثال، أظهروا أن تقليل القدرة تحت عتبة معينة يحرر كرات بقطر 800 نانومتر بينما تظل كرات بقطر 1 ميكرومتر مثبتة في مكانها. حوَّل هذا التحكم الشريط المرن إلى غربال بصري عالي الإنتاجية.

لفّ الضوء حول المنحنيات وتمديد فواصل الخلايا

الأسطح البيولوجية الحقيقية نادراً ما تكون مسطحة، لذلك اختبر الفريق FSOT على إعدادات منحنية ومجعدة. حتى عندما انحنى الشريط الناعم بزاوية تصل إلى 40 درجة أو وُضِع فوق طيات في نسيج الأمعاء أو الجلد أو الأوراق، ظلت العدسات الدقيقة تركز الضوء جيدًا بما يكفي لحبس عشرات إلى مئات الجسيمات، بما في ذلك الإكسوزومات على أنسجة شبيهة بالأحياء. خفض الانحناء من شدة الضوء وقوة الحبس، لكن المصفوفات بقيت سليمة، وبقيت الجسيمات منظمة بينما كان الشريط يُثنى ذهابًا وإيابًا. أضاف التمدد خدعة قوية أخرى: لأن العدسات تبتعد عن بعضها، يمكن ضبط المسافة بين الأجسام المحبوسة ببساطة عن طريق سحب الشريط. استخدم العلماء هذا لتثبيت بكتيريا مفردة وخلايا مناعية مفردة (بلعميات) عند فواصل محددة ثم راقبوا كيف تغيرت أشكال البلعميات، ومدت "أذرعًا"، وفي النهاية ابتلعت البكتيريا. عندما كانت البكتيريا أبعد، كان الاستجابة المناعية أبطأ وأضعف، ما كشف كيف يشكّل التباعد الفيزيائي تواصل الخلايا.

ماذا قد يعني هذا لطب المستقبل

بعبارات بسيطة، تُعد FSOT مختبرًا بصريًا ناعمًا يشبه الأجهزة القابلة للارتداء يمكنه الإمساك وتحريك مئات الأهداف البيولوجية الصغيرة على أسطح معقدة مع إمكانية ضبط قربها من بعضها البعض. من خلال الجمع بين المرونة، القابلية للتمدد، والدقة النانوية، تتغلب هذه التقنية على قيود الملاقط البصرية القديمة والرقائق الصلبة. في المستقبل، قد تساعد مثل هذه الأجهزة في فحص الأدوية من خلال مراقبة استجابة أعداد كبيرة من الخلايا المفردة، دراسة كيفية تفاعل العوامل الممرضة مع الأنسجة في ظروف واقعية، وحتى الاندماج مع حساسات قابلة للزرع أو تُركب على الجلد. يشير العمل إلى فئة جديدة من الأدوات اللطيفة المعتمدة على الضوء لفحص والتحكم باللاعبين المجهريين الذين يقودون الصحة والمرض.

الاستشهاد: He, Z., Xiong, J., Shi, Y. et al. Flexible, stretchable, on-chip optical tweezers for high-throughput bioparticle manipulation. Light Sci Appl 15, 102 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02199-4

الكلمات المفتاحية: ملاقط بصرية, التحكم بالجسيمات الحيوية, الضوئيات المرنة, تحليل خلية مفردة, فرز العوامل الممرضة