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全新纳米光纤技术“监听”细胞癌变的声音,21 世纪重大医学发现“细胞声学”再获利器!
作者:   来源:DeepTech 深科技   发布者:左丽媛   日期:2017-05-18   今日/总浏览:1/1442

回想一下,你的身体无时不刻不在进行或剧烈或轻微的运动,而与此同时,身体内的细胞组织也在不断地产生振动,这种振动就是细胞的分子运动时产生的相互作用力。

如果这种作用力在空气中产生压力波,传导到我们内耳的鼓膜,我们或许就能听到“细胞的歌声”。但由于这种振动实在是太过微小,哪怕通过最先进的仪器也很难准确捕捉。

目前比较有效的监测分子间作用力的设备是原子力显微镜(AFM),其关键组成部分是一个装有纳米级微型探针的悬臂通过针尖与被测物体表面的互相作用来测量各种应力。但由于振动及精度问题,导致其在监测细胞运动时就显得力不从心了。

图 | 原子力显微镜(AFM)

但这一问题似乎正在被科学家们解决!根据美国当地时间 5 月 15 日发表在《自然·光子学》(Nature Photonics)上的一篇文章,加州大学圣地亚哥分校的工程师们研发出了一种非常精巧灵敏的装置,灵敏到可以探测细菌游动时产生的作用力,甚至能“听见”肌肉细胞的脉动。

图 | 概念中的纳米光纤检测

该装置其实是一种纳米级光纤,大概是人类的头发直径的 1 /100。这种光纤可探测到幽门螺旋杆菌在培养液中游动时产生的低至 160 飞牛(femtonewton, fN)的作用力,而 1 飞牛则只是 1 牛顿的约十万亿分之一。

此外,纳米光纤探测器还能感应到从小鼠跳动的心肌细胞中产生的声音,这种声音的强度大约为 -30 分贝,是人耳能听见的声音极限的千分之一。

“这项技术的重要之处在于,我们现在可以去追踪那些极其微观的互动作用,而在以前,这是无法想象的。”加州大学圣地亚哥分校工程学院纳米工程教授 Donald Sirbuly 如此评价他们团队的工作成果。

图 | Donald Sirbuly 教授

Sirbuly 教授还表示,这项技术未来的应用会更加激动人心——比如实现对单个细菌形态和活动的探测、监测细胞结合或分裂;监测细胞的物理性状变化,来判断细胞是否发生癌变或受到病毒攻击;甚至作为一个纳米级听诊器,来监听活细胞所发出的声音。

而其实早在 2002 年,加州大学洛杉矶分校的著名纳米技术专家 James Gimzewski 教授就注意到了上述现象,并由此创立了细胞声学(Sonocytology)。他认为,通过细胞声音的变化,可以尽早发现哪些细胞有病变的可能。

图 | 纳米技术专家 James Gimzewski 教授

2004 年,Gimzewski 教授在《科学》杂志上发表文章,阐述了团队两年来对酵母菌的相关研究,他们发现,细胞从产生到死亡,始终以某种频率运动着。这种运动表现为声音的形式,在特定的频率范围内进行,而且这些频率代表某种特殊含义。

以细胞声学的观点来看,细胞是否健康的重要标志就是振动频率的变化。健康的细胞标准谐振频率在 1.8 赫兹到 8.2 赫兹之间,被称为“细胞的歌声”,而细胞受到伤害,则会发出“尖叫”,在细胞死亡前,则会发出“呻吟”。

当细胞出现癌变时,则会制造噪声。正因如此巨大的突破,Gimzewski 教授创立的细胞声学也被誉为 21 世纪最重要的医学发现之一。

图 | 显微镜下的细胞在“歌唱”

而这一次,Donald Sirbuly 教授的纳米光纤探测器无疑将细胞声学又向前推进了一大步,将现有的原子力显微镜(AFM)的灵敏度提升了至少 10 倍。原子力显微镜是目前用于探测分子间极微小相互作用力的主要工具,但相比起直径仅有数百纳米的新型光纤探测器,它明显就是个庞然大物了。

“你可以简单的把我们新研发的纳米光纤探测器理解为一台具备光镊敏感度的微型原子力显微镜”,Sirbuly 教授说道。

这一设备的结构极其复杂,主要由薄二氧化锡光纤制成,涂有一层薄薄的聚乙二醇聚合物,同时还镶嵌有金制纳米颗粒。

在使用的时候,研究人员需要首先将光纤浸入到细胞溶液之中,然后向其中发射一束光,根据光信号传递回来的信号强度就可以判断光纤从周围环境中吸收了多少声音和能量。

“我们不仅可以探测到这些细微的能量和声音,通过这台高分辨率的纳米探测工具,任何细微变化都可以做到量化处理”,Sirbuly 解释道。

纳米光纤探测器的工作原理其实并不复杂︰当光沿着光纤传播时,它与金制纳米粒子产生交互作用,光信号由此被放大到可以通过常规显微镜观察到的程度。

这些光信号的固定强度会随着光纤被浸入到细胞溶液之后而改变。当来自细胞的能量和声波撞击金制纳米颗粒时,会将它们从光纤的表面分离下来,进而使其可以与光信号产生更强的交互作用,由此提升光信号的强度。

在实验的过程中,研究人员也对设备进行了不断地校准,使其可以适配不同强度的能量和声波。

设备的关键就在于其光纤聚合层——它足够灵敏,可以检测到细胞发出的十分微弱的能量和声波。而且这个聚合层并非一成不变的,Sirbuly 教授的团队已经开发出了更硬和更柔软的聚合物涂层,可以分别用来监测更强和更微弱的能量密度。

向未来展望,研究人员还计划使用纳米光纤来检测单个细胞的生物活性与力学特性。而进一步的发展则会是致力于打造出极其灵敏的生物听诊器,甚至有可能利用声音的反馈来开发出新的纳米成像技术。

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