雖然聽(tīng)起來(lái)像是科幻小說(shuō)，但圣安德魯斯大學(xué)的研究人員正是按照活人心臟的節(jié)奏來(lái)設(shè)計(jì)出一種微型激光器，以提高對(duì)心力衰竭的理解，并幫助開(kāi)發(fā)更有效的治療方法。

由圣安德魯斯大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院的Marcel Schubert博士和Malte Gather教授以及圣安德魯斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Samantha Pitt博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，將微小的激光器植入單個(gè)心臟細(xì)胞，并通過(guò)分析這些激光產(chǎn)生的光可以監(jiān)測(cè)心肌的收縮。

這項(xiàng)研究于6月15日發(fā)表在《自然光子學(xué)》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(duì)患者的脈搏進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量血壓或進(jìn)行心電圖（ECG），以提供有關(guān)整個(gè)心臟的功能和心律的信息，但很少提供有關(guān)心臟不同部位的信息。

超聲心動(dòng)圖和其它復(fù)雜的方法可以提供更多的局部信息，但進(jìn)一步的發(fā)展，特別是對(duì)探索干細(xì)胞或移植組織的治療，將需要跟蹤形成心肌的單個(gè)細(xì)胞的收縮。

至少在用于研究人類患者常見(jiàn)的危重心臟病的常規(guī)動(dòng)物模型中，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有望提高對(duì)心臟病的理解，從而實(shí)現(xiàn)更有效的治療。

激光器被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像，解決越來(lái)越精細(xì)的生命細(xì)節(jié)，包括繪制心臟細(xì)胞的細(xì)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(yán)重限制了它們能看到的深度。

在這項(xiàng)最新的研究中，微小的激光器被放置在心臟內(nèi)，它們扮演著顯微鏡探針的角色。隨著心臟的每一次跳動(dòng)，這些激光器發(fā)射出的光的顏色會(huì)產(chǎn)生微小但明顯的變化，從而精確地編碼了心臟細(xì)胞隨時(shí)間的收縮。

英國(guó)皇家學(xué)會(huì)圣安德魯斯大學(xué)物理與天文學(xué)院研究員馬塞爾·舒伯特博士說(shuō):“這種顏色的變化令人非常驚訝，它被認(rèn)為是由心肌細(xì)胞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中此前未被發(fā)現(xiàn)的變化引起的?！?/p>

圣安德魯斯大學(xué)物理與天文學(xué)院的Malte Gather教授說(shuō):“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(gè)細(xì)胞內(nèi)部工作的機(jī)械信息，它來(lái)自于組織的更深處，比今天其它光學(xué)顯微鏡所能看到的更深。”

雖然這項(xiàng)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(gè)活細(xì)胞和整個(gè)心臟內(nèi)的快速動(dòng)態(tài)過(guò)程。在這種新方法能夠在世界各地的研究實(shí)驗(yàn)室常規(guī)應(yīng)用之前，還需要做更多的工作，但該團(tuán)隊(duì)樂(lè)觀地認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)的激光是主流。

微型激光器可以輕松批量生產(chǎn)，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(chǔ)設(shè)施相對(duì)便宜，并且便于其它實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)換為免費(fèi)的光學(xué)心電圖。

研究小組已經(jīng)在為下一個(gè)里程碑而努力，那就是把最近開(kāi)發(fā)的納米激光器變成心臟收縮的光學(xué)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(jìn)一步增強(qiáng)其通用性和生物相容性，從而為新方法在長(zhǎng)期研究和臨床相關(guān)心臟治療中的應(yīng)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(duì)包括癌癥在內(nèi)的許多疾病的理解。2018年，同樣是圣安德魯斯大學(xué)物理學(xué)院的研究人員在《自然通訊》上描述了開(kāi)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(xì)胞中，例如免疫細(xì)胞或神經(jīng)元。

一旦進(jìn)入細(xì)胞，激光就像一個(gè)信標(biāo)，可以報(bào)告細(xì)胞的位置，甚至可能發(fā)送細(xì)胞內(nèi)局部情況的信息。

目前，生物學(xué)家通常使用熒光染料或熒光蛋白來(lái)跟蹤細(xì)胞的位置。用微型激光器取代這些細(xì)胞，使科學(xué)家能夠跟蹤更多的細(xì)胞，而不會(huì)忘記哪個(gè)細(xì)胞是哪個(gè)細(xì)胞。這是因?yàn)槊總€(gè)激光器產(chǎn)生的光只有一個(gè)波長(zhǎng)。

相比之下，染料會(huì)平行地產(chǎn)生多種波長(zhǎng)的光，這就意味著人們不能準(zhǔn)確地從超過(guò)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(jīng)證明，可以制造出數(shù)以千計(jì)的激光器，每個(gè)激光器產(chǎn)生的光的波長(zhǎng)略有不同，并且可以非常確定地將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。

這種新型激光器以小圓盤的形式出現(xiàn)，比大多數(shù)細(xì)胞的細(xì)胞核要小得多。它們由半導(dǎo)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(lái)自物理與天文學(xué)院的安德里亞·迪·法爾科博士表示:“我們的工作是由復(fù)雜的納米技術(shù)促成的。圣安德魯斯的一個(gè)新的納米制造設(shè)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(nèi)化的傳感器，類似于RFID微芯片，可以在細(xì)胞進(jìn)食時(shí)跟蹤它們，與相鄰的細(xì)胞互動(dòng)，穿過(guò)狹窄的障礙物，而不需要調(diào)整它們的行為?！?/p>

聯(lián)合測(cè)試微型激光器的博士生Alasdair Fikouras和皇家學(xué)會(huì)研究員Marcel Schubert博士對(duì)新激光器平臺(tái)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(wèn)題。我們現(xiàn)在可以跟蹤單個(gè)癌細(xì)胞，了解它們何時(shí)以及如何變得具有侵襲性?！?/p>