21世紀重大醫學發現！全新納米光纖技術「監聽」細胞癌變的聲音

回想一下，你的身體無時不刻不在進行或劇烈或輕微的運動，而與此同時，身體內的細胞組織也在不斷地產生振動，這種振動就是細胞的分子運動時產生的相互作用力。

如果這種作用力在空氣中產生壓力波，傳導到我們內耳的鼓膜，我們或許就能聽到「細胞的歌聲」。但由於這種振動實在是太過微小，哪怕通過最先進的儀器也很難準確捕捉。

目前比較有效的監測分子間作用力的設備是原子力顯微鏡（AFM），其關鍵組成部分是一個裝有納米級微型探針的懸臂通過針尖與被測物體表面的互相作用來測量各種應力。但由於振動及精度問題，導致其在監測細胞運動時就顯得力不從心了。

圖 | 原子力顯微鏡（AFM）

但這一問題似乎正在被科學家們解決！根據美國當地時間 5 月 15 日發表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上的一篇文章，加州大學聖地亞哥分校的工程師們研發出了一種非常精巧靈敏的裝置，靈敏到可以探測細菌遊動時產生的作用力，甚至能「聽見」肌肉細胞的脈動。

圖 | 概念中的納米光纖檢測

該裝置其實是一種納米級光纖，大概是人類的頭髮直徑的1/100。這種光纖可探測到幽門螺旋桿菌在培養液中遊動時產生的低至 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到從小鼠跳動的心肌細胞中產生的聲音，這種聲音的強度大約為-30分貝，是人耳能聽見的聲音極限的千分之一。

「這項技術的重要之處在於，我們現在可以去追蹤那些極其微觀的互動作用，而在以前，這是無法想像的。」加州大學聖地亞哥分校工程學院納米工程教授 Donald Sirbuly 如此評價他們團隊的工作成果。

圖 | Donald Sirbuly教授

Sirbuly 教授還表示，這項技術未來的應用會更加激動人心——比如實現對單個細菌形態和活動的探測、監測細胞結合或分裂；監測細胞的物理性狀變化，來判斷細胞是否發生癌變或受到病毒攻擊；甚至作為一個納米級聽診器，來監聽活細胞所發出的聲音。

而其實早在 2002 年，加州大學洛杉磯分校的著名納米技術專家 James Gimzewski 教授就注意到了上述現象，並由此創立了細胞聲學（Sonocytology）。他認為，通過細胞聲音的變化，可以儘早發現哪些細胞有病變的可能。

圖 | 納米技術專家 James Gimzewski 教授

2004 年，Gimzewski 教授在《科學》雜誌上發表文章，闡述了團隊兩年來對酵母菌的相關研究，他們發現，細胞從產生到死亡，始終以某種頻率運動著。這種運動表現為聲音的形式，在特定的頻率範圍內進行，而且這些頻率代表某種特殊含義。

以細胞聲學的觀點來看，細胞是否健康的重要標誌就是振動頻率的變化。健康的細胞標準諧振頻率在 1.8 赫茲到 8.2 赫茲之間，被稱為「細胞的歌聲」，而細胞受到傷害，則會發出「尖叫」，在細胞死亡前，則會發出「呻吟」。

當細胞出現癌變時，則會製造雜訊。正因如此巨大的突破，Gimzewski 教授創立的細胞聲學也被譽為21世紀最重要的醫學發現之一。

圖 | 顯微鏡下的細胞在「歌唱」

而這一次，Donald Sirbuly教授的納米光纖探測器無疑將細胞聲學又向前推進了一大步，將現有的原子力顯微鏡（AFM）的靈敏度提升了至少 10 倍。原子力顯微鏡是目前用於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百納米的新型光纖探測器，它明顯就是個龐然大物了。

「你可以簡單的把我們新研發的納米光纖探測器理解為一台具備光鑷敏感度的微型原子力顯微鏡」，Sirbuly教授說道。

這一設備的結構極其複雜，主要由薄二氧化錫光纖製成，塗有一層薄薄的聚乙二醇聚合物，同時還鑲嵌有金制納米顆粒。

在使用的時候，研究人員需要首先將光纖浸入到細胞溶液之中，然後向其中發射一束光，根據光信號傳遞迴來的信號強度就可以判斷光纖從周圍環境中吸收了多少聲音和能量。

「我們不僅可以探測到這些細微的能量和聲音，通過這台高解析度的納米探測工具，任何細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並不複雜︰當光沿著光纖傳播時，它與金制納米粒子產生交互作用，光信號由此被放大到可以通過常規顯微鏡觀察到的程度。

這些光信號的固定強度會隨著光纖被浸入到細胞溶液之後而改變。當來自細胞的能量和聲波撞擊金制納米顆粒時，會將它們從光纖的表面分離下來，進而使其可以與光信號產生更強的交互作用，由此提升光信號的強度。

在實驗的過程中，研究人員也對設備進行了不斷地校準，使其可以適配不同強度的能量和聲波。

設備的關鍵就在於其光纖聚合層——它足夠靈敏，可以檢測到細胞發出的十分微弱的能量和聲波。而且這個聚合層並非一成不變的，Sirbuly教授的團隊已經開發出了更硬和更柔軟的聚合物塗層，可以分別用來監測更強和更微弱的能量密度。

向未來展望，研究人員還計劃使用納米光纖來檢測單個細胞的生物活性與力學特性。而進一步的發展則會是致力於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出新的納米成像技術。

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