Лазерные пинцеты (ЛП), также называемые оптическими ловушками (OЛ), представляют собой новую технологию, появившуюся в середине 1980-х годов. Появление ЛП открыло новые возможности манипулирования микрочастицами различной природы, в частности живыми клетками, без механического контакта и измерения сил взаимодействия между ними и окружающей средой. Большое влияние ЛП на фундаментальные и прикладные исследования было отмечено присуждением Нобелевской премии по физике 2018 года Артуру Ашкину - изобретателю ЛП.

Принцип действия ЛП заключается в изменении импульса сил, действующих на клетку, при преломлении на ней остро сфокусированного или иным образом сформированного пучка света с ярко выраженным пространственным градиентом интенсивности. Вблизи фокуса пучка ОЛ ведет себя как линейная пружина, создающая силу, действующую на клетку, пропорциональную ее смещению от центра ловушки. Если положение перетяжки луча пространственно манипулируется, то же самое происходит и с положением клетки. Смещение клетки от положения равновесия внешними силами можно откалибровать так, чтобы эти силы можно было точно измерить в диапазоне 0,1 – 100 пН. Это диапазон сил упругих деформаций живых клеток при митозе, взаимодействии клеток друг с другом и окружающей средой и т. д.

ЛП используются для изучения широкого круга явлений клеточной биофизики, например, механизмов функционирования молекулярных моторов, отвечающих за подвижность клеток, изменение их формы и внутриклеточный транспорт. Благодаря возможности приложения сил к отдельным молекулам и измерения сил, возникающих в их химических реакциях, аналитический ЛП идеально подходит для исследования механизмов механохимических превращений.

В данной работе представлены последние результаты, полученные с помощью ЛП при изучении биофизики взаимодействия живых клеток при обратимой агрегации эритроцитов - фундаментальном процессе, механизмы которого остаются до конца не изученными. Изменения агрегации эритроцитов связаны с развитием таких заболеваний, как артериальная гипертензия (АГ), сахарный диабет (СД) и др. Измерялись силы взаимодействия эритроцитов при агрегации и дезагрегации в зависимости от состава среды, площади и продолжительности первичного контакта, характерного для крови здоровых доноров и больных, страдающих различными заболеваниями. Мы обнаружили, что измеренные силы чувствительны к различным изменениям крови, характерным для больных, страдающих АГ и СД.

Сделан вывод, что использование ЛП позволяет проводить биофизические исследования на уровне отдельных клеток без механического контакта, что ранее было невозможно.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского Научного Фонда № 22-15-00120. Большой вклад в работу внесли Кисунг Ли, Алексей Н. Семенов, Андрей Е. Луговцов и Петр Б. Ермолинский, которым автор выносит искреннюю благодарность.

Laser tweezers (LT), also referred to as optical traps (OT), are a new technology that emerged in the mid-1980s. The emergence of LT has opened up new possibilities for manipulating without mechanical contact microparticles of various nature, in particular live cells, and measuring the forces of interaction between them and the environment. Great impact of LT on fundamental and applied research was marked by awarding the 2018 Nobel Prize in physics to Arthur Ashkin, the inventor of LT.

The operation principle of the LT is the change in the momentum of forces acting on the cell during refraction on it of a sharply focused or otherwise formed beam of light with a strongly pronounced spatial intensity gradient. Near the beam focus, the OT behaves as a linear spring generating forces on the cell proportional to its displacement from the center of the trap. If the beam waist position is spatially manipulated, so is the position of the cell. The displacement of the cell from the equilibrium position by external forces can be calibrated so that these forces can be precisely measured in the range 0.1 – 100 pN. This is the range of forces of elastic deformations of live cells during mitosis, interaction with each other and environment, etc.

LT are used to study a wide range of phenomena in cell biophysics, e.g., the mechanisms of functioning of molecular motors responsible for cell motility, changing the cells shape and intracellular transport. With the ability to apply forces on individual molecules and measure the forces generated in their chemical reactions, analytical LT are ideally suited to investigate the mechanisms of mechanochemical transformations.

This paper presents the latest results obtained using LT in the study of biophysics of the interaction of living cells during reversible red blood cells (RBC) aggregation - a fundamental process, the mechanisms of which remain not fully understood. Alterations of RBC aggregation are related to the development of such diseases like arterial hypertension (AH), diabetes mellitus (DM), etc. We measured the forces of RBC interaction during aggregation and disaggregation, depending on the composition of the environment, area and duration of the initial contact, characteristic of the blood of healthy donors and patients suffering from various diseases. We found that the measured forces are sensitive to various alternations typical of the blood of AH and DM patients.

We conclude that using LT allows for performing the research on single cells level that was impossible earlier.

This work was supported by Russian Science Foundation grant № 22-15-00120. Valuable contribution of Kisung Lee, Alexey N. Semenov, Andrey E. Lugovtsov and Petr B. Ermolinskiy is highly appreciated.