實現(xiàn)單細胞水平的空間位置追蹤對細胞異質(zhì)性研究至關(guān)重要。

　　最近，以顆粒形式分散在溶液中的微納尺度激光器，在生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)作為一種極具潛力的光學(xué)探針出現(xiàn)。

　　藝術(shù)插圖/圖源：課題組

　　相比傳統(tǒng)的發(fā)光探針，例如熒光分子、染料摻雜的微顆粒、金納米顆粒等，激光顆粒具有窄線寬（<0.3 nm）和高亮度等獨特優(yōu)勢，使它們能夠通過大規(guī)模光譜復(fù)用實現(xiàn)單細胞標記、成像和追蹤（圖1），為單細胞水平的機理和異質(zhì)性研究（例如體外單細胞分析、活體動物實驗以及單細胞測序分析）提供了途徑。

　　圖1 基于激光顆粒的單細胞追蹤示意圖

　　單細胞追蹤的基本原理：細胞內(nèi)部的激光顆粒能發(fā)射不同波長的激光，通過實時讀取具有特定波長的激光顆?？臻g位置能夠?qū)崿F(xiàn)單細胞軌跡追蹤。

　　然而，激光顆粒具有方向性發(fā)射特征，其激光輸出空間分布由微腔的激射諧振模式?jīng)Q定。例如，微盤腔激光顆粒主要沿回音壁模式諧振平面向外輻射激光。

　　因此，在細胞追蹤過程中，激光顆粒在細胞內(nèi)的取向會隨機變化，激光信號會發(fā)生劇烈漲落，導(dǎo)致頻繁的細胞軌跡丟失，極大地限制了單細胞標記和追蹤應(yīng)用中激光顆粒的實時探測和識別。

　　近日，來自美國哈佛醫(yī)學(xué)院的Seok-Hyun Yun教授研究組和北京大學(xué)肖云峰教授研究組在Light： Science & Applications共同發(fā)表了題為“Laser particles with omnidirectional emission for cell tracking”的文章，提出利用全方位出射的激光顆粒實現(xiàn)單細胞追蹤的新方法。

　　研究人員通過在半導(dǎo)體微盤腔上引入邊緣缺陷和納米尺度散射體，實現(xiàn)了回音壁模式微盤腔的全方位激光出射。進一步地，將激光顆粒轉(zhuǎn)移到活細胞內(nèi)，實現(xiàn)了單細胞高信噪比連續(xù)追蹤。

　　該研究解決了激光顆粒在單細胞分析中的實時動態(tài)檢測問題，為大規(guī)模復(fù)用的單細胞標記、追蹤以及傳感提供了新技術(shù)。

　　針對激光顆粒在單細胞分析中的實時動態(tài)檢測問題，研究人員在回音壁微盤腔上引入邊緣缺陷或者納米硅顆粒結(jié)合彈性散射實現(xiàn)了全方位激光出射（圖2）。

　　圖2. 回音壁模式微盤腔的激光輸出空間分布調(diào)控。激光顆粒泵浦激發(fā)和激光收集示意圖（左）。傳統(tǒng)微盤腔（CLP）以及全方位出射型微盤腔（OLP）的激光強度隨微盤腔取向角的變化。全方位出射型激光顆粒是通過在微盤腔表面引入彈性散射（邊緣缺陷或者納米顆粒）實現(xiàn)。

　　全方位微盤激光顆粒的激光強度隨取向的變化范圍降低到<6>24 dB。盡管在半導(dǎo)體微盤腔設(shè)計中引入較強的彈性散射，全方位微盤激光顆粒的激光閾值和線寬與傳統(tǒng)型微盤激光顆?；鞠嗤?，并且均能實現(xiàn)單模激射。

　　研究人員利用光刻技術(shù)進行了全方位半導(dǎo)體激光顆粒的批量制備，并將激光顆粒轉(zhuǎn)移到體外Hela活細胞內(nèi)，進行單細胞標記及追蹤表征。在2小時的活細胞連續(xù)表征結(jié)果表明，隨細胞運動的全方位激光顆粒能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比單細胞連續(xù)追蹤，而傳統(tǒng)型微盤腔由于頻繁的激光信號丟失導(dǎo)致細胞追蹤失敗（圖3）。

　　圖3. 在細胞追蹤過程中激光顆粒的強度信號變化。對運動的Hela活細胞內(nèi)的傳統(tǒng)型激光顆粒（CLP）和全方位出射型激光顆粒（OLP）進行實時監(jiān)測，得到的微盤腔顆粒的激光信號變化。數(shù)據(jù)顯示CLP由于頻繁的激光信號丟失導(dǎo)致細胞追蹤失敗，OLP能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比單細胞連續(xù)追蹤。

　　撰稿 | 唐水晶（哈佛醫(yī)學(xué)院訪問學(xué)生及北京大學(xué)博雅博士后）

　　說明 | 本文來自文章作者（一作）投稿