快捷无创！最新细胞探测术轻松揭示疾病根源

近几年的研究逐渐表明细胞的刚度或弹性可以显示出细胞的健康情况。例如，癌细胞相比于正常细胞更加柔韧，而哮喘影响的细胞则可能更为僵硬。

因此，确定细胞的机械性质可以帮助医生诊断和跟踪某些具体的疾病。目前，原子力显微镜（Atomic Force Microscope ,AFM）与雷射光钳等昂贵的先进仪器已经可以直接探测细胞，然而这些工具却具有一定的侵入性，会在一定程度上影响细胞的天然状态。

基于这一问题，近日，美国麻省理工学院的工程师们已经设计了一种通过观察来评估细胞机械性能的方法。研究人员使用标准共聚焦显微镜限制了细胞颗粒的恒定微运动，这些运动可用会破坏细胞的天然刚度。与雷射光钳不同，该团队的技术是非侵入性的，在探测其内容物的同时，几乎不会改变或破坏细胞的天然物理性质。

该研究对应论文则发表于最新上线的Journal of the Mechanics and Physics of Solids(doi.org/10.1016/j.jmps.2017.07.007)杂志。

早在1905年，阿尔伯特爱因斯坦便在其博士论文中提出斯托克斯-爱因斯坦方程。基于这一方程，科学家可以通过观察和测量材料中的粒子运动来计算材料的机械性能。而这一方程成立的唯一条件是材料必须均衡，这意味着任何颗粒运动必须来源于材料温度的影响而不是作用在颗粒上的任何外力。

在细胞内，线粒体和溶酶体等细胞器的物理性质随着细胞的温度而不断变化。与此同时，蛋白质和其他分子也会在一定程度上“搅动”其周围的细胞质。

研究人员推测，在极端微小的时间范围内，细胞内可能会存在一种固定的方式来调控细胞内存在的温度驱动运动。他们发现仅仅通过温度激发的颗粒表现出恒定的抖动运动。相比之下，通过常规物理方法探测细胞所存在的驱动运动并不恒定，研究人员假设在相对更长的时间范围内可以准确地观察到细胞的热驱动运动。

为了证实他们的假设，研究人员对人黑素瘤细胞进行了实验。他们将微聚合物颗粒注入了每个细胞，然后在标准共焦荧光显微镜下跟踪它们的运动。他们还通过将盐引入细胞溶液来改变细胞的刚度，使其更加压缩和僵硬。

研究人员以不同的帧速率记录了细胞的运动状况，对细胞运动随细胞僵硬改变的具体情况进行了观察。当他们以高于10帧/秒的频率观察细胞时，细胞运动则似乎是由温度单独引起的。而在较慢的帧速率下，研究人员发现细胞会出现更多的随机运动。接着，研究人员使用斯托克斯-爱因斯坦方程对这些细胞的刚度进行了具体计算。

研究人员将他们的刚度计算方法与雷射光钳的实际测量结果进行了比较。只有当他们使用以每秒10帧的频率拍摄颗粒运动时，计算结果才能与测量结果相匹配。研究人员认为这表明高频发生的粒子运动确实是由温度驱动的。

该研究结果表明，如果研究人员能够以足够快的帧速率观察细胞，那么他们就可以分离纯粹由温度驱动的粒子运动，并基于其平均位移直接套用爱因斯坦方程来计算细胞的刚度值。

目前，该团队正在与马萨诸塞州总医院的医生合作，他希望能够使用新的无创技术来研究癌症，哮喘等细胞特性会随疾病进展而发生变化的疾病。
（转化医学网360zhyx.com）