我们将活猪细胞转化为微型激光器

编者按：以下文章经许可转载自The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。

在过去的几十年里，激光器已经成为我们生活中重要的一部分，其应用范围从激光笔和CD播放器到医疗和研究用途。激光器通常具有非常明确的传播方向和非常狭窄且明确的发射颜色。我们通常将激光器想象成我们可以握在手中的电子设备，或者研究实验室中间的大盒子。

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荧光染料也已变得司空见惯，在研究和诊断中常规使用，以识别特定的细胞和组织类型。照亮荧光染料会使其发出具有独特颜色的光。颜色和强度被用作衡量标准，例如，各种化学物质（如DNA和蛋白质）的浓度，或用于标记细胞。荧光染料的固有缺点是只能区分几十种不同的颜色。

研究人员将这两种技术结合起来，知道如果将染料放置在光学腔（一种限制光线的装置，例如两面镜子）中，他们就可以产生激光。

更进一步，我们在《自然·光子学》杂志上发表的研究表明，我们可以制造一种微型激光器，它可以在单个活细胞内发光。

微小的激光器
我们用比人类头发直径小十倍的固体聚苯乙烯珠制造了我们的激光器。这些珠子含有荧光染料，珠子的表面限制光线，形成光学腔。我们将这些激光珠喂给培养中的活细胞（取自人类），这些细胞在几个小时内会吃掉这些激光器。之后，我们可以通过用外部光照射它们来操作激光器，而不会对细胞造成任何伤害。

然后，我们通过光谱仪捕获从细胞发出的光并分析光谱。激光器可以作为非常灵敏的传感器，使我们能够更好地了解细胞过程。例如，我们在改变细胞周围介质中的盐浓度时测量了折射率（光穿过细胞的方式）的变化。折射率与细胞内化学成分（如DNA、蛋白质和脂质）的浓度直接相关。

此外，激光器可用于细胞标记。细胞内的每个激光器发出的光都带有略微不同的指纹，可以很容易地被检测到并用作标记细胞的条形码。由于激光器的光谱发射非常窄，因此可以产生大量的唯一条形码，这在以前是不可能的。

通过仔细的激光设计，最多可以唯一标记一万亿个细胞（1,000,000,000,000）。这与人体中的细胞总数相当。因此，原则上，有可能单独标记和跟踪人体中的每个细胞。这与迄今为止展示的细胞标记方法相比是一个巨大的飞跃，后者最多可以标记几百个细胞。到目前为止，我们仅在培养皿中标记了细胞，但是没有理由它不能在活体内的细胞中也起作用。

细胞激光器的替代材料
除了固体珠子，我们还使用了油滴作为细胞内的激光器（同样使用了人体细胞）。我们使用微量移液器将含有荧光染料的微小油滴注入细胞中。与固体珠子不同，细胞内部的作用力会使液滴变形。通过分析液滴激光器发出的光，我们可以测量该变形并计算作用在液滴上的力。这是一种非常精确地了解细胞内部机械力（例如细胞迁移和分裂）的方式。

最后，我们意识到脂肪细胞已经包含可以用作天然激光器的脂质液滴。它们不需要吃或被注入激光器，只需提供无毒的荧光染料即可。这意味着我们每个人在脂肪组织中都已经有数百万个激光器，它们正等待被激活以产生激光。下次您考虑减肥时，您可以将您的体脂重新概念化为大量微型激光器。然而，对于这项工作的这部分，细胞是从猪皮肤中获得的。

我们新的细胞激光技术将帮助我们了解细胞过程，并改善医疗诊断和治疗。它们最终可以在人体内部提供远程传感，而无需收集样本。细胞是一台智能机器，配备了带有“内部DNA”的计算机。专门的细胞，例如免疫细胞，可以找到疾病和炎症部位，将激光器携带到靶标进行基于激光的诊断和治疗。想象一下，医生怀疑肿块是癌症，而不是进行活检，细胞激光器可以帮助确定它的成分。细胞激光器也有望作为一种传递激光进行治疗的方法，例如，在靶标处激活光敏药物以杀死微生物或癌细胞。

Matjaž Humar 获得了欧盟第七框架计划内的玛丽居里国际对外奖学金的资助。

Seok-Hyun Yun 获得了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院的资助。他们都在哈佛医学院工作。

本文最初发表于The Conversation. 阅读原文。