精妙裝置聽到“細(xì)胞的歌聲”

　　本文來源：麻省理工科技評論

　　回想一下，你的身體無時(shí)不刻不在進(jìn)行或劇烈或細(xì)微的運(yùn)動，而與此同時(shí)，身體內(nèi)的細(xì)胞組織也在不斷地發(fā)生振蕩，這種振蕩即是細(xì)胞的分子運(yùn)動時(shí)發(fā)生的彼此作用力。

　　假如這種作用力在空氣中發(fā)生壓力波，傳導(dǎo)到咱們內(nèi)耳的鼓膜，咱們或許就能聽到“細(xì)胞的歌聲”。但由于這種振蕩實(shí)在是過分微小，哪怕經(jīng)過***的儀器也很難精確捕捉。

　　現(xiàn)在對比有用的監(jiān)測分子間作用力的設(shè)備是原子力顯微鏡（AFM），其關(guān)鍵組成部分是一個(gè)裝有納米級微型探針的懸臂經(jīng)過針尖與被測物體外表的相互作用來丈量各種應(yīng)力。但由于振蕩及精度問題，導(dǎo)致其在監(jiān)測細(xì)胞運(yùn)動時(shí)就顯得力不從心了。

　　但這一疑問似乎正在被科學(xué)家們處理！依據(jù)美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間 5 月 15 日宣布在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上的一篇文章，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師們研發(fā)出了一種十分精巧活絡(luò)的設(shè)備，活絡(luò)到能夠勘探細(xì)菌游動時(shí)發(fā)生的作用力，甚至能“聽見”肌肉細(xì)胞的脈動。

　　該裝置其實(shí)是一種納米級光纖，大概是人類的頭發(fā)直徑的1/100。這種光纖可探測到幽門螺旋桿菌在培養(yǎng)液中游動時(shí)產(chǎn)生的低至160飛牛（femtonewton,fN）的作用力，而1飛牛則只是 1 牛頓的約十萬億分之一。

　　此外，納米光纖探測器還能感應(yīng)到從小鼠跳動的心肌細(xì)胞中產(chǎn)生的聲音，這種聲音的強(qiáng)度大約為-30分貝，是人耳能聽見的聲音極限的千分之一。

　　“這項(xiàng)技術(shù)的重要之處在于，我們現(xiàn)在可以去追蹤那些極其微觀的互動作用，而在以前，這是無法想象的。”加州大學(xué)圣地亞哥分校工程學(xué)院納米工程教授 Donald Sirbuly 如此評價(jià)他們團(tuán)隊(duì)的工作成果。

　　Sirbuly 教授還表明，這項(xiàng)技能將來的應(yīng)用會愈加激動人心--比方完成對單個(gè)細(xì)菌形態(tài)和活動的勘探、監(jiān)測細(xì)胞聯(lián)系或割裂；監(jiān)測細(xì)胞的物理性狀改變，來判別細(xì)胞是不是發(fā)作癌變或遭到病毒進(jìn)犯；乃至作為一個(gè)納米級聽診器，來監(jiān)聽活細(xì)胞所宣布的聲響。

　　而其實(shí)早在2002年，加州大學(xué)洛杉磯分校的**納米技術(shù)專家 James Gimzewski 教授就注意到了上述現(xiàn)象，并由此創(chuàng)立了細(xì)胞聲學(xué)（Sonocytology）。他認(rèn)為，通過細(xì)胞聲音的變化，可以盡早發(fā)現(xiàn)哪些細(xì)胞有病變的可能。

　　2004 年，Gimzewski 教授在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章，闡述了團(tuán)隊(duì)兩年來對酵母菌的相關(guān)研究，他們發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞從產(chǎn)生到死亡，始終以某種頻率運(yùn)動著。這種運(yùn)動表現(xiàn)為聲音的形式，在特定的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，而且這些頻率代表某種特殊含義。

　　以細(xì)胞聲學(xué)的觀點(diǎn)來看，細(xì)胞是否健康的重要標(biāo)志就是振動頻率的變化。健康的細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率在 1.8 赫茲到 8.2 赫茲之間，被稱為“細(xì)胞的歌聲”，而細(xì)胞受到傷害，則會發(fā)出“尖叫”，在細(xì)胞死亡前，則會發(fā)出“呻吟”。

　　當(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)癌變時(shí)，則會制造噪聲。正因如此巨大的突破，Gimzewski 教授創(chuàng)立的細(xì)胞聲學(xué)也被譽(yù)為21世紀(jì)最重要的醫(yī)學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

　　而這一次，Donald Sirbuly教授的納米光纖探測器無疑將細(xì)胞聲學(xué)又向前推進(jìn)了一大步，將現(xiàn)有的原子力顯微鏡（AFM）的靈敏度提升了至少10倍。原子力顯微鏡是目前用于探測分子間極微小相互作用力的主要工具，但相比起直徑僅有數(shù)百納米的新型光纖探測器，它明顯就是個(gè)龐然大物了。

　　“你可以簡單的把我們新研發(fā)的納米光纖探測器理解為一臺具備光鑷敏感度的微型原子力顯微鏡”，Sirbuly教授說道。

　　這一設(shè)備的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，主要由薄二氧化錫光纖制成，涂有一層薄薄的聚乙二醇聚合物，同時(shí)還鑲嵌有金制納米顆粒。

　　在使用的時(shí)候，研究人員需要首先將光纖浸入到細(xì)胞溶液之中，然后向其中發(fā)射一束光，根據(jù)光信號傳遞回來的信號強(qiáng)度就可以判斷光纖從周圍環(huán)境中吸收了多少聲音和能量。

　　“我們不僅可以探測到這些細(xì)微的能量和聲音，通過這臺高分辨率的納米探測工具，任何細(xì)微變化都可以做到量化處理”，Sirbuly解釋道。

　　納米光纖探測器的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜︰當(dāng)光沿著光纖傳播時(shí)，它與金制納米粒子產(chǎn)生交互作用，光信號由此被放大到可以通過常規(guī)顯微鏡觀察到的程度。

　　這些光信號的固定強(qiáng)度會隨著光纖被浸入到細(xì)胞溶液之后而改變。當(dāng)來自細(xì)胞的能量和聲波撞擊金制納米顆粒時(shí)，會將它們從光纖的表面分離下來，進(jìn)而使其可以與光信號產(chǎn)生更強(qiáng)的交互作用，由此提升光信號的強(qiáng)度。

　　在實(shí)驗(yàn)的過程中，研究人員也對設(shè)備進(jìn)行了不斷地校準(zhǔn)，使其可以適配不同強(qiáng)度的能量和聲波。

　　上海威正翔禹生物科技創(chuàng)辦于2003年。持續(xù)為國家重大科研項(xiàng)目提供高品質(zhì)細(xì)胞培養(yǎng)用進(jìn)口血清、培養(yǎng)基。為實(shí)驗(yàn)室提供支原體預(yù)防和祛除的完整解決方案，為生產(chǎn)、科研提供國際一線無動物源性微生物培養(yǎng)基、蛋白胨、蛋白水解物產(chǎn)品。

　　設(shè)備的關(guān)鍵就在于其光纖聚合層--它足夠靈敏，可以檢測到細(xì)胞發(fā)出的十分微弱的能量和聲波。而且這個(gè)聚合層并非一成不變的，Sirbuly教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出了更硬和更柔軟的聚合物涂層，可以分別用來監(jiān)測更強(qiáng)和更微弱的能量密度。

　　向未來展望，研究人員還計(jì)劃使用納米光纖來檢測單個(gè)細(xì)胞的生物活性與力學(xué)特性。而進(jìn)一步的發(fā)展則會是致力于打造出極其靈敏的生物聽診器，甚至有可能利用聲音的反饋來開發(fā)出新的納米成像技術(shù)。