华人学者：看看细胞是软是硬，就知道有没有得病

细胞的弹性和刚性可以揭示这个细胞是否是“健康态”，例如，癌细胞往往比正常细胞要软一些，而受到哮喘影响的细胞则相当“僵硬”。从这个角度来说，如果我们能够通过一种好的方法来探测到细胞的机械性能，那么，我们就能很好的揭示疾病。

因而，确定细胞的机械性能可以帮助医生对特定疾病的发展进程进行跟踪和诊断。现有的方式是通过昂贵的仪器来直接探测细胞，例如原子力显微镜（atomic force microscopes ）和光学镊子（opticaltweezers），它可以直接的与细胞进行侵入式的接触。侵入式的接触总会带来不同程度的破坏和影响的，如果我们希望尝试一种更简便的、非侵入式的方式测算细胞的机械性能，该如何着手呢？

现在，MIT的工程师们设计了一种方法用来评估细胞的机械性能，并且方式很简单，只要“观察”就可以。

研究人员使用了标准的共聚焦荧光显微镜，来对细胞颗粒的恒定的微调运动进行归零，这些运动可用于对细胞的刚性进行解码。与光学镊子不同，研究团队的这项技术是非侵入性的、在探测细胞内容物时对其改变和破坏的风险都非常的小。

MIT机械工程学院助理教授Ming Guo 图片来源：MIT

“这里有几种疾病，例如特定类型的癌症和哮喘，其中我们已经知道细胞的刚性同疾病的表型相关联，”研究的资深作者MIT机械工程学院助理教授Ming Guo表示，“这项技术真正打开了大门，如果医生或者生物学家想要以一种非常快速、非侵入式的方式来了解细胞内容物的性质，现在就可以这样做了。”

Guo与研究生Satish Kumar Gupta的文章发表在杂志《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。

咖啡里的勺子

研究的理论基础还要从上个世纪说起。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein ）在博士论文中得出了一个公式，被称为斯托克斯-爱因斯坦方程（Stokes-Einsteinequation），这使得通过观察和测量材料中粒子的运动计算材料的机械性能成为可能。只有一个要抓住的要点：材料必须是“平衡的”，意思是任何颗粒运动必须是由于材料温度的影响而不是作用在颗粒上的任何外力。

“你可以将平衡想象成一杯热的咖啡，”Guo表示，“咖啡的温度可以独立驱动糖的分散。现在，如果你使用勺子搅拌咖啡，糖就会分散得快一些，但是系统就不再是由温度独自驱动的，也不再是平衡的了。你改变了环境，注入了能量并且使得反应的发生加快了。”

在细胞中，例如线粒体和溶酶体等细胞器会持续响应细胞的温度而轻轻振动。然而，Guo指出，这里也有“很多微小的勺子”在搅拌周围的细胞质。它们以蛋白质和分子的形式，每隔一段时间就会积极的推动细胞器的振动。

细胞中这些持续的活动使得科学家们很难仅仅通过观察就进行清晰的辨别，哪些运动是由于温度，而哪些是由于更活跃的、“与搅拌的勺子相似”的过程。Guo表示，这种限制已经“”从基本上关闭了使用爱因斯坦平衡以及通过单纯的观察测量出细胞的机械性能的大门。

帧与帧的不同

Guo与Gupta推测，可能有一种方法可以挑选出温度-驱动的细胞内运动，需要通过在非常狭窄的时间帧内进行观察。他们意识到仅仅通过温度激发的颗粒表现出恒定的抖动运动。无论你在什么时间观察一个温度-驱动的例子，它都在振动。

与之相对的是，敲击一个周围满是细胞质的粒子的活动过程发生得非常偶然。他们假设，这样的活跃运动需要在一个长时间帧内被观察到。

为了验证他们的假说，研究人员用人类的黑色素瘤细胞执行了一项实验。黑色素瘤细胞是一个癌症细胞系，他们具有生长迅速的特性。研究人员将小的聚合物颗粒注射到每一个细胞内部，然后通过标准共焦荧光显微镜跟踪它们的运动。他们还通过向细胞培养液中加入盐类来使细胞的刚性多样化，加入盐份可以使得细胞中的水流失，使得细胞更加紧凑和僵化。

研究人员通过不同的帧频率对细胞进行视频记录，观察细胞僵化如何改变粒子的运动。当他们在高于每秒10帧的频率下观察细胞，他们更多的观察到粒子原位振动，这些振动似乎是由温度单独引起的。只有在缓慢的帧速率下，通过对粒子在细胞内更广泛的范围内进行拍摄，他们会观察到更活跃、随机的运动。

在每一个视频中，他们跟踪了粒子的路径，并应用了一个他们开发的用来计算粒子平均运动距离的算法。然后他们将该运动值插入斯托克斯—爱因斯坦方程的广义格式。

Guo与Gupta将他们计算所得的细胞刚性与通过光学镊子的实际测量值的进行了比对。当他们使用以高于10帧/秒的频率捕获的粒子的运动时，他们的计算与测量数据能够匹配。Guo表示，这表明在高速帧速率下，粒子的运动发生确实是温度-驱动。

团队的结果还表明了，如果研究人员以足够高的帧速率观察细胞，他们可以就可以分离出单纯由温度驱动的粒子运动，并且确定它们的平均位移——一个可以直接插入爱因斯坦方程来计算细胞刚性的值。

细胞刚性与揭示疾病

“现在，如果人们想要衡量细胞的机械性能，只要观察它们就可以了，”Guo指出。

团队现在正在与马萨诸塞州综合医院（Massachusetts General Hospital）的医生展开合作，他们希望通过这项新的、非侵入性的技术研究包括癌症、哮喘以及其他由于疾病的发展而发生性能改变的细胞。

“人们有这样一个关于结构改变的想法，但是医生希望使用这种方法来论证是否有这种改变，以及是否我们可以利用这种改变来诊断和揭示这些疾病，”Guo指出。

参考资料

[1] Fast, noninvasive technique for probingcells may reveal disease

来源：康健新视野（微信号 HealthHorizon）