兩組研究人員分別將微小激光器放置在了活細胞內(nèi)。這聽上去可能有點像螞蟻俠的下一代武器，但這個“小玩意”將極大提高生物學家追蹤單個細胞活動的能力——這可能惠及從發(fā)育生物學到癌癥研究的諸多領(lǐng)域。
“這有可能做一些你利用其他技術(shù)做不到的事。”英國敦提大學生物物理學家David McGloin說。例如，該激光器能追蹤的細胞比熒光標記能追蹤的更多，并且比高頻ID等萌芽技術(shù)更簡單易用。劍橋大學神經(jīng)生物學家Kristian Franze也贊同這一觀點。“如果他們能開發(fā)出適用于活細胞的此類技術(shù)，那對許多人而言將非常有趣。”他說。
要制作一個激光器，你需要兩件東西：一種能被激發(fā)產(chǎn)生光的材料或“媒介”以及一個回蕩著特定波長的光的“共振腔”，就像管風琴會同特有頻率的聲波共鳴一樣。與諧振腔共振的光會刺激該材料發(fā)出更多光，極大地放大其效果來創(chuàng)造激光，結(jié)果將產(chǎn)生一個能放大光量的反饋回路。
之前，科學家也曾“擺弄”過以細胞為基礎(chǔ)的激光器。例如，2011年，美國哈佛大學醫(yī)學院生物醫(yī)學家Seok Hyun Yun和現(xiàn)供職于英國圣·安德魯大學的物理學家Malte Gather，利用工程改造后包含綠色熒光蛋白的單個細胞作為發(fā)光媒介，并將其置于一個共振腔內(nèi)，從而制造了一個激光器。但沒有人制出放置在單個細胞內(nèi)的激光器。
研究小組多年來一直在探索以單細胞為基礎(chǔ)的激光，希望在活組織內(nèi)造出會發(fā)熒光的細胞，以便在這些細胞工作時跟蹤它們，深入揭示身體內(nèi)部機制，比如癌癥是如何開始的。目前，Gather和Yun正在利用類似技術(shù)分別進行研究。
一個困難環(huán)節(jié)是將腔囊放置在細胞內(nèi)。Gather和同事將細胞與直徑約為5~10微米的塑料球混合，這些小球被摻雜了熒光染料。小珠子充當了空腔，而染料則充當了媒介。細胞經(jīng)由內(nèi)吞作用將小球吸入“體內(nèi)”，這一過程就像免疫細胞吞噬病原體。由于這些球體用熒光染料浸過，所以用一種顏色的光撞擊后，它們會發(fā)出另一種顏色的光。這種光接著在球體內(nèi)共振，引發(fā)激光作用，并放大自己。重要的是，每一束激光會根據(jù)球體的精確尺寸發(fā)出12種不同波長的光。相關(guān)論文發(fā)表在近日出版的《納米快報》上。這一技術(shù)能作用于4類細胞，包括人類巨噬細胞和一種白血細胞。
研究人員指出，這一技術(shù)在細胞傳感、醫(yī)療成像等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。“改寫傳統(tǒng)激光研究領(lǐng)域的知識并在這個平臺上展開研究以便將激光性能最優(yōu)化，將是一件有趣或者說非常激動人心的事情。”Yun表示。
之后，研究人員設(shè)計出一種5納秒的光脈沖激活這些染料。它發(fā)射的光能沿球體的中間線運行——通過一種名為全內(nèi)反射的過程進行約束。特定波長的共振和增加會更強烈，直到珠子發(fā)出足夠的激光。
Yun和同事Matjaz Humar還設(shè)法誘導細胞“吞下”塑料珠子，并且他們制造了兩類共振球，相關(guān)成果日前在線發(fā)表于《自然—光子學》期刊。研究人員利用一個細胞內(nèi)的脂肪滴或油滴反射和放大光，從而產(chǎn)生激光。Yun和Humar報告說，他們能改變波長，并且利用不同直徑的熒光聚苯乙烯微球而不是被注射進去的油滴或脂肪滴標記單個細胞。理論上，利用不同組合的微球和具有不同光譜特性的染料，應(yīng)當可以使為人體中存在的幾乎所有細胞進行單獨標記成為可能。
Yun和Gather表示，這些激光器最顯著的應(yīng)用可能將是追蹤單個細胞的行動。每個塑料珠子的直徑和光學特性都略有不同，因此它們能有效區(qū)分波長，充當細胞條形碼。Gather和同事用19小時在細胞培養(yǎng)皿中追蹤了少量巨噬細胞，而Yun和Humar也進行了類似驗證。
由于激光器能在明確的波長上照亮細胞，這讓它們比熒光蛋白質(zhì)標記等其他細胞追蹤技術(shù)更有優(yōu)勢。包含熒光染料和蛋白的傳統(tǒng)熒光探針擁有相對較寬的發(fā)射光譜——約30～100納米。這限制了能被同時使用的探針數(shù)量，因為通常很難從組織中天然分子廣泛的背景發(fā)射中區(qū)分出這些發(fā)光源。但這種激光器的光譜特性使其能同時追蹤數(shù)千個微小指向標。研究人員通過為每個細胞裝載數(shù)個小球?qū)⑦@一數(shù)字擴展到數(shù)百萬或數(shù)十億。然后，每個細胞將以不同的波長組合發(fā)射激光。
但這一技術(shù)還有很長的路要走。首先，研究人員需要確定不同的細胞類型都能“吞下”小球，尤其是活組織中的細胞。Gather預(yù)測，這將不是問題。“我相信該技術(shù)是可歸納的。”他說。另外，研發(fā)人員必須縮小塑料球的尺寸。Yun承認，現(xiàn)在的小球會將細胞填滿。但Yun和Gather已經(jīng)證實，他們可以用更小的玻璃球代替塑料球。
由于細胞發(fā)光可以持續(xù)一個較長的周期，可以在較長時間里識別和跟蹤活組織內(nèi)的細胞，有望為研究人員提供一種很有潛力的手段，執(zhí)行細胞內(nèi)傳感、自適應(yīng)成像，還可能真正看到腫瘤細胞的生長過程。但科學家指出，目前這一技術(shù)還只用在實驗室培養(yǎng)的活細胞中，但他們希望進一步研究能帶來用于動物實驗的細胞跟蹤系統(tǒng)，并最終用于人類。“不管怎樣，它非?？?”McGloin說。
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