利用激光追蹤心臟細(xì)胞和生物光子學(xué)的未來(lái)

對(duì)活體動(dòng)物體內(nèi)的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行成像極其困難，但這對(duì)于研究體內(nèi)細(xì)胞和組織的功能至關(guān)重要。利用基于光的技術(shù)，研究人員能夠?qū)@些獨(dú)特的實(shí)體進(jìn)行成像、識(shí)別和設(shè)計(jì)，但其穿透組織距離有限。

為了幫助我們更深入地了解人體內(nèi)部，我們需要新的、改進(jìn)的仿生聲學(xué)技術(shù)。蘇格蘭的一個(gè)研究小組相信，他們研發(fā)的新型顯微鏡技術(shù)可以做到這一點(diǎn)。利用微米級(jí)激光，該團(tuán)隊(duì)能夠追蹤跳動(dòng)引起的心臟細(xì)胞折射率變化。

為什么需要改進(jìn)生物光子技術(shù)？

核磁共振和超聲波等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)使研究人員能夠看到身體內(nèi)部，但只能看到一定距離，而且分辨率較低，因此很難看到單個(gè)細(xì)胞。

基于熒光的顯微鏡技術(shù)利用相機(jī)記錄細(xì)胞內(nèi)熒光染料發(fā)出的光，從而確定單個(gè)細(xì)胞的特征。例如，它可以用于對(duì)體內(nèi) 腦細(xì)胞進(jìn)行成像，但它具有侵入性且應(yīng)用難度高，因?yàn)樗枰妙?lèi)似舷窗的窗口替換一塊顱骨才能直接觀(guān)察組織。

熒光顯微鏡也只能對(duì)組織最外層的幾層細(xì)胞進(jìn)行成像——例如相當(dāng)于心臟中約100微米的組織，因此對(duì)于觀(guān)察組織深處并不是特別有用?！拔覀冋娴男枰恋墓庠?，”蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的馬塞爾·舒伯特博士說(shuō)道。

新型激光顯微鏡技術(shù)

舒伯特和他的同事開(kāi)發(fā)了一種新的顯微鏡技術(shù)，利用微米級(jí)激光器直接植入心臟細(xì)胞內(nèi)來(lái)追蹤細(xì)胞跳動(dòng)。他們沒(méi)有直接將染料分子放入細(xì)胞內(nèi)，而是使用了注入染料分子的微米級(jí)塑料珠；這些珠子可以充當(dāng)激光器。

當(dāng)珠子受到光線(xiàn)照射時(shí)，染料分子開(kāi)始發(fā)出熒光。由于其特殊的折射特性，大部分熒光被困在珠子內(nèi)部，并圍繞其外表面循環(huán)。

在某些波長(zhǎng)下，這種循環(huán)光會(huì)發(fā)生“建設(shè)性干擾”，強(qiáng)度會(huì)增加；當(dāng)循環(huán)光照射到激發(fā)的染料分子并從受激發(fā)射中獲得額外的光子時(shí)，也會(huì)發(fā)生這種情況，就像普通激光一樣。

一些循環(huán)光會(huì)逸出，產(chǎn)生比傳統(tǒng)熒光顯微鏡技術(shù)亮1000倍的激光信號(hào)。因此，它更容易被發(fā)現(xiàn)，而這正是該團(tuán)隊(duì)感興趣的。

微米激光器的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)將珠子放置在分離的小鼠心臟細(xì)胞旁邊時(shí)，細(xì)胞會(huì)將其吞噬。當(dāng)珠子暴露在光線(xiàn)下時(shí)，激光的波長(zhǎng)會(huì)隨著細(xì)胞收縮和擴(kuò)張而上下移動(dòng)。舒伯特說(shuō)，激光發(fā)射的光的顏色變化很小，但在光譜儀上卻清晰可見(jiàn)。

這種顏色變化令人大吃一驚，據(jù)信是由心肌細(xì)胞的細(xì)胞機(jī)制中以前未被認(rèn)識(shí)到的變化引起的。 ”

馬塞爾·舒伯特博士，皇家學(xué)會(huì)物理與天文學(xué)院研究員

這些變化被認(rèn)為是由肌原纖維局部折射率的變化引起的。肌原纖維是一種細(xì)長(zhǎng)的蛋白質(zhì)，每次心臟跳動(dòng)時(shí)都會(huì)收縮。收縮時(shí)，細(xì)胞內(nèi)局部蛋白質(zhì)的密度會(huì)暫時(shí)增加，而蛋白質(zhì)松弛伸長(zhǎng)時(shí)，密度會(huì)下降。

舒伯特使用共聚焦顯微鏡追蹤了最靠近珠子的肌原纖維的長(zhǎng)度變化；他們發(fā)現(xiàn)縮短和延長(zhǎng)與波長(zhǎng)變化完全相關(guān)。

研究團(tuán)隊(duì)用活體斑馬魚(yú)心臟和大鼠心臟組織切片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。利用后者，他們能夠透過(guò)400微米厚的組織檢測(cè)到珠子發(fā)出的跳動(dòng)信號(hào)。

舒伯特說(shuō)：“其他人曾嘗試監(jiān)測(cè)組織深處的折射率變化，但沒(méi)有成功。而我們證明了，利用激光珠確實(shí)可以做到這一點(diǎn)。”

生物光子學(xué)的未來(lái)

有了這樣的技術(shù)，生物光子學(xué)的未來(lái)一片光明。技術(shù)越先進(jìn)，我們就越能了解體內(nèi)細(xì)胞，而無(wú)需將它們從自然棲息地移走或在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行人工培養(yǎng)。

此類(lèi)微型激光器可以輕松生產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)臺(tái)，而且與許多現(xiàn)代顯微鏡及其相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施相比，價(jià)格相對(duì)便宜。

舒伯特和他的團(tuán)隊(duì)正在研究由一種名為磷化銦鎵的半導(dǎo)體制成的更小的激光器。初步研究表明，這些納米級(jí)的圓盤(pán)激光器可以追蹤細(xì)胞折射率的變化，而且由于其尺寸小巧，可以在單個(gè)細(xì)胞中使用多個(gè)激光器，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的局部測(cè)量。

我們還計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室培育的 3D 心臟組織中進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，例如，使用激光監(jiān)測(cè)胚胎內(nèi)部發(fā)育過(guò)程中心臟的生物力學(xué)特性。