疾病診斷新方法：細胞是否健康？仔細看看它「硬不硬」

通過多年的實驗，科學家們發現一個細胞的剛度和彈性可以反映一個細胞的健康狀態。比如說，人體內的癌變細胞就會比普通的細胞軟一些，而被哮喘影響的細胞則會比普通的細胞更加硬一些。這些指標對於人體健康十分重要，卻往往很難以測量。而這一次，研究員們發現了一種只用觀察就可以大概估計出細胞剛度的方法。

對於細胞機械性質指標的掌握會對醫生們有很大的幫助，這些數據可能會幫助醫生們確診疾病或者了解患者當前的情況。在此之前測量這些指標的方法往往十分昂貴且困難，比如說應用原子力顯微鏡和光學鑷子，而這些都需要與細胞進行直接接觸。

前不久，MIT的工程師們設計了一種觀測細胞狀態的新方法，通過應用共焦點顯微鏡陣列，來進一步觀察細胞在靜止和振動時的狀態。而細胞的這些運動跡象則會幫助研究員們來確認細胞的剛度。此方法不需要與細胞的直接接觸，也不需要對人體組織進行破壞，更減小了實驗誤差的可能性（使用光學鑷子有可能對細胞造成輕微破壞，造成實驗誤差），這比傳統方法要強得多。

圖丨MIT的工程師們設計了一種觀測細胞狀態的新方法，通過應用共焦點顯微鏡陣列，來進一步觀察細胞在靜止和振動時的狀態。

「我們早就了解到，很多種癌症和哮喘會很明顯的影響到細胞的剛度。」郭明，MIT機械工程系的職業發展副教授這樣說道,「這項技術會讓測量細胞的機械性質指標變得更加容易，讓人們能更加方便地得到相關數據。」郭明和碩士生Satish Kumar Gupta在《固體的力學與物理學》期刊上發表了研究的結果。

在阿爾伯特·愛因斯坦1905的博士論文上，他導出了一個Stokes-Einstein公式，它可以通過觀察並測量材料內粒子的運動狀態，來計算出一個靜止或者運動中材料的機械性質指標。但是有一個前提，那就是這個材料必須是在平衡狀態下，也就是說，該粒子的溫度是決定它運動狀態的唯一因素。「舉個例子，你往一杯黑咖啡里加糖，咖啡本身的溫度就可以完全的溶解它。但是當你用一個勺子來攪拌的時候，咖啡的溫度就不是影響糖溶解的唯一因素了。你將糖周圍的環境改變，向咖啡里施加能量來加速糖的溶解。所以就說，它不在平衡態。」

細胞內的很多細胞器，比如說線粒體和溶酶體，都會隨著細胞溫度的變化而振動。但是，根據郭明的說法，在細胞質內有很多因素都會導致周圍環境的變化。對細胞質內胞體運動狀態的未知讓科學家們難以分辨究竟是溫度還是內部因素造成的細胞活動狀態的變化。郭明說，這種情況使愛因斯坦的公式不能精確測量細胞的機械性質指標。

郭明和Gupta推斷，如果在很短的時間內對一個細胞進行觀察，會有一個方法來梳理出究竟哪些運動狀態是受溫度影響的。他們首先知道如果一個細胞在只受溫度影響的情況下，會一直持續不變的振動，也就是說，被溫度影響的粒子一定是在振動的。與此形成對比的是，其餘的影響因素只會偶爾使得粒子在細胞質內活動。他們做了個假設，覺得觀察該情況需要更長時間的觀察該細胞。

為了進一步驗證假設，他們在人類的黑色毒瘤細胞上做了實驗，黑色毒瘤細胞是一種癌細胞，它們的生長能力十分頑強。他們將塑質粒子打入了癌細胞，並用共焦點熒光顯微鏡來觀察它們的動態。

為了改變細胞的剛度，研究員們將鹽打入了細胞液裡面，來將細胞中的水分吸走，來讓它們變得更僵硬一些。研究員們使用不同的幀頻來觀看了試驗錄像，他們發現，當幀頻高於10幀/秒時，他們大多只能看到細胞在持續不變的振動（有一種只受溫度影響的錯覺），而當他們放慢幀頻時，他們觀測到了細胞更加不規則的運動。

他們記錄下來了每一個錄像裡面粒子的運動軌跡，並輸入到事先準備好的演算法里來算出該粒子走過的平均距離，並將結果輸入進Stokes-Einstein公式里進行計算。郭明和Gupta將他們的出的結果和應用光學鑷子測量出的結果進行了比對，發現只有當幀頻高於10幀/秒時結果才會相等。郭明解釋說，粒子在高幀頻中所顯現的運動軌跡的確是由溫度影響的。

「現在，如果有人想知道細胞內的機械性質指標，他們不需要干別的，只需要觀察就可以了。」郭明的研究小組目前與馬薩諸塞州總醫院的醫生進行進一步的研究工作，他們希望能通過更加創新的手段來將此技術應用到更多層面（比如其他會影響細胞機械性質上的疾病）。「人們知道了醫療技術結構的變化，而醫生的工作就是進行確診，並判定在當前情況下可不可以使用這項新技術。」郭明說。

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