快捷無創！最新細胞探測術輕鬆揭示疾病根源

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《轉》譯

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近幾年的研究逐漸表明細胞的剛度或彈性可以顯示出細胞的健康情況。例如，癌細胞相比於正常細胞更加柔韌，而哮喘影響的細胞則可能更為僵硬。

因此，確定細胞的機械性質可以幫助醫生診斷和跟蹤某些具體的疾病。目前，原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope ,AFM）與雷射光鉗等昂貴的先進儀器已經可以直接探測細胞，然而這些工具卻具有一定的侵入性，會在一定程度上影響細胞的天然狀態。

基於這一問題，近日，美國麻省理工學院的工程師們已經設計了一種通過觀察來評估細胞機械性能的方法。研究人員使用標準共聚焦顯微鏡限制了細胞顆粒的恆定微運動，這些運動可用會破壞細胞的天然剛度。與雷射光鉗不同，該團隊的技術是非侵入性的，在探測其內容物的同時，幾乎不會改變或破壞細胞的天然物理性質。

該研究對應論文則發表於最新上線的Journal of the Mechanics and Physics of Solids(doi.org/10.1016/j.jmps.2017.07.007)雜誌。

早在1905年，阿爾伯特愛因斯坦便在其博士論文中提出斯托克斯-愛因斯坦方程。基於這一方程，科學家可以通過觀察和測量材料中的粒子運動來計算材料的機械性能。而這一方程成立的唯一條件是材料必須均衡，這意味著任何顆粒運動必須來源於材料溫度的影響而不是作用在顆粒上的任何外力。

在細胞內，線粒體和溶酶體等細胞器的物理性質隨著細胞的溫度而不斷變化。與此同時，蛋白質和其他分子也會在一定程度上「攪動」其周圍的細胞質。

研究人員推測，在極端微小的時間範圍內，細胞內可能會存在一種固定的方式來調控細胞內存在的溫度驅動運動。他們發現僅僅通過溫度激發的顆粒表現出恆定的抖動運動。相比之下，通過常規物理方法探測細胞所存在的驅動運動並不恆定，研究人員假設在相對更長的時間範圍內可以準確地觀察到細胞的熱驅動運動。

為了證實他們的假設，研究人員對人黑素瘤細胞進行了實驗。他們將微聚合物顆粒注入了每個細胞，然後在標準共焦熒光顯微鏡下跟蹤它們的運動。他們還通過將鹽引入細胞溶液來改變細胞的剛度，使其更加壓縮和僵硬。

研究人員以不同的幀速率記錄了細胞的運動狀況，對細胞運動隨細胞僵硬改變的具體情況進行了觀察。當他們以高於10幀/秒的頻率觀察細胞時，細胞運動則似乎是由溫度單獨引起的。而在較慢的幀速率下，研究人員發現細胞會出現更多的隨機運動。接著，研究人員使用斯托克斯-愛因斯坦方程對這些細胞的剛度進行了具體計算。

研究人員將他們的剛度計算方法與雷射光鉗的實際測量結果進行了比較。只有當他們使用以每秒10幀的頻率拍攝顆粒運動時，計算結果才能與測量結果相匹配。研究人員認為這表明高頻發生的粒子運動確實是由溫度驅動的。

該研究結果表明，如果研究人員能夠以足夠快的幀速率觀察細胞，那麼他們就可以分離純粹由溫度驅動的粒子運動，並基於其平均位移直接套用愛因斯坦方程來計算細胞的剛度值。

目前，該團隊正在與馬薩諸塞州總醫院的醫生合作，他希望能夠使用新的無創技術來研究癌症，哮喘等細胞特性會隨疾病進展而發生變化的疾病。

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