雖然聽起來像是科幻小說，但圣安德魯斯大學的研究人員正是按照活人心臟的節(jié)奏來設計出一種微型激光器，以提高對心力衰竭的理解，并幫助開發(fā)更有效的治療方法。
由圣安德魯斯大學物理與天文學學院的Marcel Schubert博士和Malte Gather教授以及圣安德魯斯大學醫(yī)學院的Samantha Pitt博士領導的一個跨學科研究團隊，將微小的激光器植入單個心臟細胞，并通過分析這些激光產生的光可以監(jiān)測心肌的收縮。
這項研究于6月15日發(fā)表在《自然光子學》雜志上，而今年恰好是激光器誕生60周年。
為了檢查心臟的功能，醫(yī)生需要對患者的脈搏進行測量，測量血壓或進行心電圖（ECG），以提供有關整個心臟的功能和心律的信息，但很少提供有關心臟不同部位的信息。
超聲心動圖和其它復雜的方法可以提供更多的局部信息，但進一步的發(fā)展，特別是對探索干細胞或移植組織的治療，將需要跟蹤形成心肌的單個細胞的收縮。
至少在用于研究人類患者常見的危重心臟病的常規(guī)動物模型中，實現(xiàn)這一目標有望提高對心臟病的理解，從而實現(xiàn)更有效的治療。
激光器被廣泛應用于生物醫(yī)學成像，解決越來越精細的生命細節(jié)，包括繪制心臟細胞的細節(jié)。但由于激光通常體積大且耗電，它們位于心臟之外，只能將光發(fā)送到生物組織的表面，這嚴重限制了它們能看到的深度。
在這項最新的研究中，微小的激光器被放置在心臟內，它們扮演著顯微鏡探針的角色。隨著心臟的每一次跳動，這些激光器發(fā)射出的光的顏色會產生微小但明顯的變化，從而精確地編碼了心臟細胞隨時間的收縮。
英國皇家學會圣安德魯斯大學物理與天文學院研究員馬塞爾·舒伯特博士說:“這種顏色的變化令人非常驚訝，它被認為是由心肌細胞細胞結構中此前未被發(fā)現(xiàn)的變化引起的?！?/p>
圣安德魯斯大學物理與天文學院的Malte Gather教授說:“我們激光提供的數(shù)據(jù)與醫(yī)生記錄的心電圖相似。但在我們的案例中，它包含了單個細胞內部工作的機械信息，它來自于組織的更深處，比今天其它光學顯微鏡所能看到的更深。”
雖然這項研究仍處于早期階段，但目前的研究證明，激光可以解決單個活細胞和整個心臟內的快速動態(tài)過程。在這種新方法能夠在世界各地的研究實驗室常規(guī)應用之前，還需要做更多的工作，但該團隊樂觀地認為，細胞內的激光是主流。
微型激光器可以輕松批量生產，與許多現(xiàn)代顯微鏡相比，分析激光發(fā)射所需的額外基礎設施相對便宜，并且便于其它實驗室使用和修改其方法，研究小組已制定了所有方案，并且該軟件可將激光輸出轉換為免費的光學心電圖。
研究小組已經在為下一個里程碑而努力，那就是把最近開發(fā)的納米激光器變成心臟收縮的光學傳感器。這些激光器比目前研究中使用的微型激光器小1000倍，將進一步增強其通用性和生物相容性，從而為新方法在長期研究和臨床相關心臟治療中的應用鋪平道路。
微型激光器的不僅有助加深心臟治療的理解，還將徹底改變我們對包括癌癥在內的許多疾病的理解。2018年，同樣是圣安德魯斯大學物理學院的研究人員在《自然通訊》上描述了開發(fā)的直徑小于千分之一毫米的微型激光器，并將其插入活細胞中，例如免疫細胞或神經元。
一旦進入細胞，激光就像一個信標，可以報告細胞的位置，甚至可能發(fā)送細胞內局部情況的信息。
目前，生物學家通常使用熒光染料或熒光蛋白來跟蹤細胞的位置。用微型激光器取代這些細胞，使科學家能夠跟蹤更多的細胞，而不會忘記哪個細胞是哪個細胞。這是因為每個激光器產生的光只有一個波長。
相比之下，染料會平行地產生多種波長的光，這就意味著人們不能準確地從超過四到五種不同的染料中區(qū)分光——染料的顏色變得太相似了。相反，研究人員現(xiàn)在已經證明，可以制造出數(shù)以千計的激光器，每個激光器產生的光的波長略有不同，并且可以非常確定地將它們區(qū)分開來。
這種新型激光器以小圓盤的形式出現(xiàn)，比大多數(shù)細胞的細胞核要小得多。它們由半導體量子阱材料制成，以提供最明亮的激光發(fā)射，并確保激光的顏色與電池的要求兼容。
來自物理與天文學院的安德里亞·迪·法爾科博士表示:“我們的工作是由復雜的納米技術促成的。圣安德魯斯的一個新的納米制造設備使我們能夠制造出迄今為止已知的最小的激光器。這些內化的傳感器，類似于RFID微芯片，可以在細胞進食時跟蹤它們，與相鄰的細胞互動，穿過狹窄的障礙物，而不需要調整它們的行為?！?/p>
聯(lián)合測試微型激光器的博士生Alasdair Fikouras和皇家學會研究員Marcel Schubert博士對新激光器平臺的前景非常興奮:“新激光器可以幫助我們以與以前完全不同的方式研究如此多的緊迫問題。我們現(xiàn)在可以跟蹤單個癌細胞，了解它們何時以及如何變得具有侵襲性。”
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