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科学家发明植入单个心脏细胞的微型激光器 让每一次心跳纤毫毕现
2020-06-27 16:55 前瞻网   

 

虽然听起来像是科幻小说,但圣安德鲁斯大学的研究人员正是按照活人心脏的节奏来设计出一种微型激光器,以提高对心力衰竭的理解,并帮助开发更有效的治疗方法。

由圣安德鲁斯大学物理与天文学学院的Marcel Schubert博士和Malte Gather教授以及圣安德鲁斯大学医学院的Samantha Pitt博士领导的一个跨学科研究团队,将微小的激光器植入单个心脏细胞,并通过分析这些激光产生的光可以监测心肌的收缩。

这项研究于6月15日发表在《自然光子学》杂志上,而今年恰好是激光器诞生60周年。

为了检查心脏的功能,医生需要对患者的脉搏进行测量,测量血压或进行心电图(ECG),以提供有关整个心脏的功能和心律的信息,但很少提供有关心脏不同部位的信息。

超声心动图和其它复杂的方法可以提供更多的局部信息,但进一步的发展,特别是对探索干细胞或移植组织的治疗,将需要跟踪形成心肌的单个细胞的收缩。

至少在用于研究人类患者常见的危重心脏病的常规动物模型中,实现这一目标有望提高对心脏病的理解,从而实现更有效的治疗。

激光器被广泛应用于生物医学成像,解决越来越精细的生命细节,包括绘制心脏细胞的细节。但由于激光通常体积大且耗电,它们位于心脏之外,只能将光发送到生物组织的表面,这严重限制了它们能看到的深度。

在这项最新的研究中,微小的激光器被放置在心脏内,它们扮演着显微镜探针的角色。随着心脏的每一次跳动,这些激光器发射出的光的颜色会产生微小但明显的变化,从而精确地编码了心脏细胞随时间的收缩。

英国皇家学会圣安德鲁斯大学物理与天文学院研究员马塞尔·舒伯特博士说:“这种颜色的变化令人非常惊讶,它被认为是由心肌细胞细胞结构中此前未被发现的变化引起的。”

圣安德鲁斯大学物理与天文学院的Malte Gather教授说:“我们激光提供的数据与医生记录的心电图相似。但在我们的案例中,它包含了单个细胞内部工作的机械信息,它来自于组织的更深处,比今天其它光学显微镜所能看到的更深。”

虽然这项研究仍处于早期阶段,但目前的研究证明,激光可以解决单个活细胞和整个心脏内的快速动态过程。在这种新方法能够在世界各地的研究实验室常规应用之前,还需要做更多的工作,但该团队乐观地认为,细胞内的激光是主流。

微型激光器可以轻松批量生产,与许多现代显微镜相比,分析激光发射所需的额外基础设施相对便宜,并且便于其它实验室使用和修改其方法,研究小组已制定了所有方案,并且该软件可将激光输出转换为免费的光学心电图。

研究小组已经在为下一个里程碑而努力,那就是把最近开发的纳米激光器变成心脏收缩的光学传感器。这些激光器比目前研究中使用的微型激光器小1000倍,将进一步增强其通用性和生物相容性,从而为新方法在长期研究和临床相关心脏治疗中的应用铺平道路。

微型激光器的不仅有助加深心脏治疗的理解,还将彻底改变我们对包括癌症在内的许多疾病的理解。2018年,同样是圣安德鲁斯大学物理学院的研究人员在《自然通讯》上描述了开发的直径小于千分之一毫米的微型激光器,并将其插入活细胞中,例如免疫细胞或神经元。

一旦进入细胞,激光就像一个信标,可以报告细胞的位置,甚至可能发送细胞内局部情况的信息。

目前,生物学家通常使用荧光染料或荧光蛋白来跟踪细胞的位置。用微型激光器取代这些细胞,使科学家能够跟踪更多的细胞,而不会忘记哪个细胞是哪个细胞。这是因为每个激光器产生的光只有一个波长。

相比之下,染料会平行地产生多种波长的光,这就意味着人们不能准确地从超过四到五种不同的染料中区分光——染料的颜色变得太相似了。相反,研究人员现在已经证明,可以制造出数以千计的激光器,每个激光器产生的光的波长略有不同,并且可以非常确定地将它们区分开来。

这种新型激光器以小圆盘的形式出现,比大多数细胞的细胞核要小得多。它们由半导体量子阱材料制成,以提供最明亮的激光发射,并确保激光的颜色与电池的要求兼容。

来自物理与天文学院的安德里亚·迪·法尔科博士表示:“我们的工作是由复杂的纳米技术促成的。圣安德鲁斯的一个新的纳米制造设备使我们能够制造出迄今为止已知的最小的激光器。这些内化的传感器,类似于RFID微芯片,可以在细胞进食时跟踪它们,与相邻的细胞互动,穿过狭窄的障碍物,而不需要调整它们的行为。”

联合测试微型激光器的博士生Alasdair Fikouras和皇家学会研究员Marcel Schubert博士对新激光器平台的前景非常兴奋:“新激光器可以帮助我们以与以前完全不同的方式研究如此多的紧迫问题。我们现在可以跟踪单个癌细胞,了解它们何时以及如何变得具有侵袭性。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://phys.org/news/2020-06-implanted-microlasers-scan-heart.html

https://www.nature.com/articles/s41566-020-0631-z

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