我們將活豬細胞轉化為微型雷射器

編者按：以下文章經許可轉載自The Conversation，這是一個報道最新研究的線上出版物。

在過去的幾十年裡，雷射器已經成為我們生活中重要的一部分，其應用範圍從雷射筆和CD播放器到醫療和研究用途。雷射器通常具有非常明確的傳播方向和非常狹窄且明確的發射顏色。我們通常將雷射器想象成我們可以握在手中的電子裝置，或者研究實驗室中間的大盒子。

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熒光染料也已變得司空見慣，在研究和診斷中常規使用，以識別特定的細胞和組織型別。照亮熒光染料會使其發出具有獨特顏色的光。顏色和強度被用作衡量標準，例如，各種化學物質（如DNA和蛋白質）的濃度，或用於標記細胞。熒光染料的固有缺點是隻能區分幾十種不同的顏色。

研究人員將這兩種技術結合起來，知道如果將染料放置在光學腔（一種限制光線的裝置，例如兩面鏡子）中，他們就可以產生雷射。

更進一步，我們在《自然·光子學》雜誌上發表的研究表明，我們可以製造一種微型雷射器，它可以在單個活細胞內發光。

微小的雷射器
我們用比人類頭髮直徑小十倍的固體聚苯乙烯珠製造了我們的雷射器。這些珠子含有熒光染料，珠子的表面限制光線，形成光學腔。我們將這些雷射珠餵給培養中的活細胞（取自人類），這些細胞在幾個小時內會吃掉這些雷射器。之後，我們可以透過用外部光照射它們來操作雷射器，而不會對細胞造成任何傷害。

然後，我們透過光譜儀捕獲從細胞發出的光並分析光譜。雷射器可以作為非常靈敏的感測器，使我們能夠更好地瞭解細胞過程。例如，我們在改變細胞周圍介質中的鹽濃度時測量了折射率（光穿過細胞的方式）的變化。折射率與細胞內化學成分（如DNA、蛋白質和脂質）的濃度直接相關。

此外，雷射器可用於細胞標記。細胞內的每個雷射器發出的光都帶有略微不同的指紋，可以很容易地被檢測到並用作標記細胞的條形碼。由於雷射器的光譜發射非常窄，因此可以產生大量的唯一條形碼，這在以前是不可能的。

透過仔細的雷射設計，最多可以唯一標記一萬億個細胞（1,000,000,000,000）。這與人體中的細胞總數相當。因此，原則上，有可能單獨標記和跟蹤人體中的每個細胞。這與迄今為止展示的細胞標記方法相比是一個巨大的飛躍，後者最多可以標記幾百個細胞。到目前為止，我們僅在培養皿中標記了細胞，但是沒有理由它不能在活體內的細胞中也起作用。

細胞雷射器的替代材料
除了固體珠子，我們還使用了油滴作為細胞內的雷射器（同樣使用了人體細胞）。我們使用微量移液器將含有熒光染料的微小油滴注入細胞中。與固體珠子不同，細胞內部的作用力會使液滴變形。透過分析液滴雷射器發出的光，我們可以測量該變形並計算作用在液滴上的力。這是一種非常精確地瞭解細胞內部機械力（例如細胞遷移和分裂）的方式。

最後，我們意識到脂肪細胞已經包含可以用作天然雷射器的脂質液滴。它們不需要吃或被注入雷射器，只需提供無毒的熒光染料即可。這意味著我們每個人在脂肪組織中都已經有數百萬個雷射器，它們正等待被啟用以產生雷射。下次您考慮減肥時，您可以將您的體脂重新概念化為大量微型雷射器。然而，對於這項工作的這部分，細胞是從豬皮膚中獲得的。

我們新的細胞雷射技術將幫助我們瞭解細胞過程，並改善醫療診斷和治療。它們最終可以在人體內部提供遠端感測，而無需收集樣本。細胞是一臺智慧機器，配備了帶有“內部DNA”的計算機。專門的細胞，例如免疫細胞，可以找到疾病和炎症部位，將雷射器攜帶到靶標進行基於雷射的診斷和治療。想象一下，醫生懷疑腫塊是癌症，而不是進行活檢，細胞雷射器可以幫助確定它的成分。細胞雷射器也有望作為一種傳遞雷射進行治療的方法，例如，在靶標處啟用光敏藥物以殺死微生物或癌細胞。

Matjaž Humar 獲得了歐盟第七框架計劃內的瑪麗居里國際對外獎學金的資助。

Seok-Hyun Yun 獲得了美國國家科學基金會和美國國立衛生研究院的資助。他們都在哈佛醫學院工作。

本文最初發表於The Conversation. 閱讀原文。