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疾病诊断新方法:细胞是否健康?仔细看看它“硬不硬”

来源:DeepTech 深科技 2017-08-13 16:46

通过多年的实验,科学家们,发现一个细胞的刚度和弹性可以反映一个细胞的健康状态。比如说,人体内的癌变细胞就会比普通的细胞软一些,而被哮喘影响的细胞则会比普通的细胞更加硬一些。这些指标对于人体健康十分重要,却往往很难以测量。而这一次,研究员们发现了一种只用观察就可以大概估计出细胞刚度的方法。

对于细胞机械性质指标的掌握会对医生们有很大的帮助,这些数据可能会帮助医生们确诊疾病或者了解患者当前的情况。在此之前测量这些指标的方法往往十分昂贵且困难,比如说应用原子力显微镜和光学镊子,而这些都需要与细胞进行直接接触。

前不久,MIT 的工程师们设计了一种观测细胞状态的新方法,通过应用共焦点显微镜阵列,来进一步观察细胞在静止和振动时的状态。而细胞的这些运动迹象则会帮助研究员们来确认细胞的刚度。此方法不需要与细胞的直接接触,也不需要对人体组织进行破坏,更减小了实验误差的可能性(使用光学镊子有可能对细胞造成轻微破坏,造成实验误差),这比传统方法要强得多。


图丨 MIT 的工程师们设计了一种观测细胞状态的新方法,通过应用共焦点显微镜阵列,来进一步观察细胞在静止和振动时的状态。

“我们早就了解到,很多种癌症和哮喘会很明显的影响到细胞的刚度。”郭明,MIT 机械工程系的职业发展副教授这样说道,“这项技术会让测量细胞的机械性质指标变得更加容易,让人们能更加方便地得到相关数据。”郭明和硕士生 Satish Kumar Gupta 在《固体的力学与物理学》期刊上发表了研究的结果。

在阿尔伯特·爱因斯坦 1905 的博士论文上,他导出了一个 Stokes-Einstein 公式,它可以通过观察并测量材料内粒子的运动状态,来计算出一个静止或者运动中材料的机械性质指标。但是有一个前提,那就是这个材料必须是在平衡状态下,也就是说,该粒子的温度是决定它运动状态的唯一因素。“举个例子,你往一杯黑咖啡里加糖,咖啡本身的温度就可以完全的溶解它。但是当你用一个勺子来搅拌的时候,咖啡的温度就不是影响糖溶解的唯一因素了。你将糖周围的环境改变,向咖啡里施加能量来加速糖的溶解。所以就说,它不在平衡态。”

细胞内的很多细胞器,比如说线粒体和溶酶体,都会随着细胞温度的变化而振动。但是,根据郭明的说法,在细胞质内有很多因素都会导致周围环境的变化。对细胞质内胞体运动状态的未知让科学家们难以分辨究竟是温度还是内部因素造成的细胞活动状态的变化。郭明说,这种情况使爱因斯坦的公式不能精确测量细胞的机械性质指标。

郭明和 Gupta 推断,如果在很短的时间内对一个细胞进行观察,会有一个方法来梳理出究竟哪些运动状态是受温度影响的。他们首先知道如果一个细胞在只受温度影响的情况下,会一直持续不变的振动,也就是说,被温度影响的粒子一定是在振动的。与此形成对比的是,其余的影响因素只会偶尔的使得粒子在细胞质内活动。他们做了个假设,觉得观察该情况需要更长时间的观察该细胞。



为了进一步验证假设,他们在人类的黑色毒瘤细胞上做了实验,黑色毒瘤细胞是一种癌细胞,它们的生长能力十分顽强。他们将塑质粒子打入了癌细胞,并用共焦点荧光显微镜来观察它们的动态。

为了改变细胞的刚度,研究员们将盐打入了细胞液里面,来将细胞中的水分吸走,来让它们变得更僵硬一些。研究员们使用不同的帧频来观看了试验录像,他们发现,当帧频高于 10 帧 / 秒时,他们大多只能看到细胞在持续不变的振动(有一种只受温度影响的错觉),而当他们放慢帧频时,他们观测到了细胞更加不规则的运动。

他们记录下来了每一个录像里面粒子的运动轨迹,并输入到事先准备好的算法里来算出该粒子走过的平均距离,并将结果输入进 Stokes-Einstein 公式里进行计算。郭明和 Gupta 将他们的出的结果和应用光学镊子测量出的结果进行了比对,发现只有当帧频高于 10 帧 / 秒时结果才会相等。郭明解释说,粒子在高帧频中所显现的运动轨迹的确是由温度影响的。

“现在,如果有人想知道细胞内的机械性质指标,他们不需要干别的,只需要观察就可以了。”郭明的研究小组目前与马萨诸塞州总医院的医生进行进一步研究工作,他们希望能通过更加创新的手段来将此技术应用到更多层面(比如其他会影响细胞机械性质上的疾病)。“人们知道了医疗技术结构的变化,而医生的工作就是进行确诊,并判定在当前情况下可不可以使用这项新技术。”郭明说。(生物谷 Bioon.com)
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