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科学家发明植入单个心脏细胞的微型激光器 让每一次心跳纤毫毕现

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尽管听起来像是科幻小说,但圣安德鲁斯大学的研讨人员正是依照活人心脏的节奏来规划出一种微型激光器,以进步对心力衰竭的了解,并协助开发更有用的医治办法。

由圣安德鲁斯大学物理与地理学学院的Marcel Schubert博士和Malte Gather教授以及圣安德鲁斯大学医学院的Samantha Pitt博士领导的一个跨学科研讨团队,将细小的激光器植入单个心脏细胞,并经过剖析这些激光发生的光能够监测心肌的缩短。

这项研讨于6月15日宣布在《天然光子学》杂志上,而本年恰好是激光器诞生60周年。

为了查看心脏的功用,医师需求对患者的脉息进行丈量,丈量血压或进行心电图(ECG),以供给有关整个心脏的功用和心律的信息,但很少供给有关心脏不同部位的信息。

超声心动图和其它杂乱的办法能够供给更多的部分信息,但进一步的开展,特别是对探究干细胞或移植安排的医治,将需求盯梢构成心肌的单个细胞的缩短。

至少在用于研讨人类患者常见的危重心脏病的惯例动物模型中,完成这一方针有望进步对心脏病的了解,然后完成更有用的医治。

激光器被广泛运用于生物医学成像,处理越来越精密的生命细节,包含制作心脏细胞的细节。但由于激光一般体积大且耗电,它们坐落心脏之外,只能将光发送到生物安排的外表,这严峻约束了它们能看到的深度。

在这项最新的研讨中,细小的激光器被放置在心脏内,它们扮演着显微镜探针的人物。跟着心脏的每一次跳动,这些激光器发射出的光的色彩会发生细小但显着的改变,然后精确地编码了心脏细胞随时刻的缩短。

英国皇家学会圣安德鲁斯大学物理与地理学院研讨员马塞尔·舒伯特博士说:“这种色彩的改变令人十分惊奇,它被以为是由心肌细胞细胞结构中此前未被发现的改变引起的。”

圣安德鲁斯大学物理与地理学院的Malte Gather教授说:“咱们激光供给的数据与医师记载的心电图类似。但在咱们的事例中,它包含了单个细胞内部作业的机械信息,它来自于安排的更深处,比今日其它光学显微镜所能看到的更深。”

尽管这项研讨仍处于前期阶段,但现在的研讨证明,激光能够处理单个活细胞和整个心脏内的快速动态进程。在这种新办法能够在世界各地的研讨实验室惯例运用之前,还需求做更多的作业,但该团队达观地以为,细胞内的激光是干流。

微型激光器能够轻松批量生产,与许多现代显微镜比较,剖析激光发射所需的额定基础设施相对廉价,而且便于其它实验室运用和修正其办法,研讨小组已拟定了一切计划,而且该软件可将激光输出转换为免费的光学心电图。

研讨小组现已在为下一个里程碑而尽力,那就是把最近开发的纳米激光器变成心脏缩短的光学传感器。这些激光器比现在研讨中运用的微型激光器小1000倍,将进一步增强其通用性和生物相容性,然后为新办法在长时间研讨和临床相关心脏医治中的运用铺平道路。

微型激光器的不只要助加深心脏医治的了解,还将彻底改变咱们对包含癌症在内的许多疾病的了解。2018年,同样是圣安德鲁斯大学物理学院的研讨人员在《天然通讯》上描绘了开发的直径小于千分之一毫米的微型激光器,并将其刺进活细胞中,例如免疫细胞或神经元。

一旦进入细胞,激光就像一个信标,能够陈述细胞的方位,乃至或许发送细胞内部分状况的信息。

现在,生物学家一般运用荧光染料或荧光蛋白来盯梢细胞的方位。用微型激光器替代这些细胞,使科学家能够盯梢更多的细胞,而不会忘掉哪个细胞是哪个细胞。这是由于每个激光器发生的光只要一个波长。

比较之下,染料会平行地发生多种波长的光,这就意味着人们不能精确地从超越四到五种不同的染料中区别光——染料的色彩变得太类似了。相反,研讨人员现在现已证明,能够制作出数以千计的激光器,每个激光器发生的光的波长略有不同,而且能够十分确认地将它们区别开来。

这种新式激光器以小圆盘的方法呈现,比大大都细胞的细胞核要小得多。它们由半导体量子阱资料制成,以供给最亮堂的激光发射,并保证激光的色彩与电池的要求兼容。

来自物理与地理学院的安德里亚·迪·法尔科博士表明:“咱们的作业是由杂乱的纳米技术促进的。圣安德鲁斯的一个新的纳米制作设备使咱们能够制作出迄今为止已知的最小的激光器。这些内化的传感器,类似于RFID微芯片,能够在细胞进食时盯梢它们,与相邻的细胞互动,穿过狭隘的障碍物,而不需求调整它们的行为。”

联合测验微型激光器的博士生Alasdair Fikouras和皇家学会研讨员Marcel Schubert博士对新激光器渠道的远景十分振奋:“新激光器能够协助咱们以与曾经彻底不同的方法研讨如此多的急迫问题。咱们现在能够盯梢单个癌细胞,了解它们何时以及怎么变得具有侵袭性。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://phys.org/news/2020-06-implanted-microlasers-scan-heart.html

https://www.nature.com/articles/s41566-020-0631-z

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