兩組研究人員分別將微小激光器放置在了活細(xì)胞內(nèi)。這聽上去可能有點(diǎn)像螞蟻俠的下一代武器，但這個“小玩意”將極大提高生物學(xué)家追蹤單個細(xì)胞活動的能力——這可能惠及從發(fā)育生物學(xué)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(xué)生物物理學(xué)家David McGloin說。例如，該激光器能追蹤的細(xì)胞比熒光標(biāo)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(xué)神經(jīng)生物學(xué)家Kristian Franze也贊同這一觀點(diǎn)。“如果他們能開發(fā)出適用于活細(xì)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(fēng)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(xué)家也曾“擺弄”過以細(xì)胞為基礎(chǔ)的激光器。例如，2011年，美國哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)家Seok Hyun Yun和現(xiàn)供職于英國圣·安德魯大學(xué)的物理學(xué)家Malte Gather，利用工程改造后包含綠色熒光蛋白的單個細(xì)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(xì)胞內(nèi)的激光器。
研究小組多年來一直在探索以單細(xì)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(xì)胞，以便在這些細(xì)胞工作時跟蹤它們，深入揭示身體內(nèi)部機(jī)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(jìn)行研究。
一個困難環(huán)節(jié)是將腔囊放置在細(xì)胞內(nèi)。Gather和同事將細(xì)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(dāng)了空腔，而染料則充當(dāng)了媒介。細(xì)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(xì)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(xì)胞，包括人類巨噬細(xì)胞和一種白血細(xì)胞。
研究人員指出，這一技術(shù)在細(xì)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(yùn)行——通過一種名為全內(nèi)反射的過程進(jìn)行約束。特定波長的共振和增加會更強(qiáng)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(dǎo)細(xì)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(xué)》期刊。研究人員利用一個細(xì)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(jìn)去的油滴或脂肪滴標(biāo)記單個細(xì)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(dāng)可以使為人體中存在的幾乎所有細(xì)胞進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)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(xì)胞的行動。每個塑料珠子的直徑和光學(xué)特性都略有不同，因此它們能有效區(qū)分波長，充當(dāng)細(xì)胞條形碼。Gather和同事用19小時在細(xì)胞培養(yǎng)皿中追蹤了少量巨噬細(xì)胞，而Yun和Humar也進(jìn)行了類似驗證。
由于激光器能在明確的波長上照亮細(xì)胞，這讓它們比熒光蛋白質(zhì)標(biāo)記等其他細(xì)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(biāo)。研究人員通過為每個細(xì)胞裝載數(shù)個小球?qū)⑦@一數(shù)字?jǐn)U展到數(shù)百萬或數(shù)十億。然后，每個細(xì)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(xì)胞類型都能“吞下”小球，尤其是活組織中的細(xì)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(rèn)，現(xiàn)在的小球會將細(xì)胞填滿。但Yun和Gather已經(jīng)證實(shí)，他們可以用更小的玻璃球代替塑料球。
由于細(xì)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(xì)胞，有望為研究人員提供一種很有潛力的手段，執(zhí)行細(xì)胞內(nèi)傳感、自適應(yīng)成像，還可能真正看到腫瘤細(xì)胞的生長過程。但科學(xué)家指出，目前這一技術(shù)還只用在實(shí)驗室培養(yǎng)的活細(xì)胞中，但他們希望進(jìn)一步研究能帶來用于動物實(shí)驗的細(xì)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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