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最聪明科学家--华裔教授用激光摧毁肿瘤

2015-12-08 10:08
默菲
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  最近,加州理工学院的科学家开发出一种新技术,使用充满气体的微泡,聚集组织内的光线,有望为医生提供一种微创的方式,用激光摧毁肿瘤,并提高医学影像的诊断水平。

  聚焦体内光线的主要挑战在于,生物组织是光学不透明的。与透明玻璃不同的是,构成组织的这些细胞和蛋白质可散播和吸收光。

  本文通讯作者、加州理工学院电气工程、生物工程和医学工程教授杨长辉(Changhuei Yang)指出:“就光线而言,我们的组织表现得很像浓雾。正如我们不能聚焦汽车的前照灯穿过浓雾一样,科学家们一直很难聚焦光线通过组织。”

  为了避免这个问题,杨教授和他的研究团队转向了微泡(microbubbles)——常用于医学,增强超声成像的对比度。

  充满气体的微泡,被封装在薄的蛋白质壳中,并具有一种声学的折射率——这种属性影响着声波如何传播通过介质——不同于活组织。因此,它们对声波的反应不同。杨长辉实验室的博士后阮浩文(音译,Haowen Ruan)指出:“你可以用超声波,使微泡迅速的扩张与收缩,这种振动有助于将它们与周围的组织区分开来,因为它们能比生物组织更有效地反射声波。”

  此外,微气泡的光折射率与生物组织的不同。光的折射率是光线从一种介质(例如,液体)过渡到另一种介质(例如,气体)时弯曲多少的一个衡量。

  杨教授、阮博士和研究生Mooseok Jang开发了一种新技术,叫做TRUME,利用微泡和组织的声学和光学折射率之间的不匹配,来聚集体内的光线。首先,用超声波使注入组织的微泡破裂。

  通过在这个事件之前和之后测量光传导的差异,加州理工学院的研究人员可以修改一束激光的波前,因此可以专注于微泡的原始位置。杨教授解释道:“结果就好像,你在黑暗中寻找某个人,突然有人放出一道闪光。一个短暂的瞬间,人被照亮,你就可以定位他们的位置。”

  这项新的研究,于2015年11月24日发表在《Nature Communications》杂志上,该研究小组表明,他们的TRUME技术可以作为一个有效的“导引星”,将激光束聚集在生物组织中的特定位置。一个单一的、瞄得准的微泡,足以成功地聚集激光;多个弹出的气泡位于目标附近,作为光线的导航地图。

  杨教授说:“每一个弹出事件都作为一个路线图,让扭转的光线轨线通过组织。我们可以使用该路线图来形成光,它将以这样的方式,聚集在气泡破裂的地方。”

  如果TRUME被证明可在活组织中起有效作用——例如,没有任何来自破裂微泡的负面影响,它就可以促成一系列研究和医学应用。例如,通过将微气泡与抗体探针结合,设计出与癌症相关的生物标志物,医生就可以靶定、然后摧毁身体深处的肿瘤,或尽早检测出恶性肿瘤。

  杨教授说:“超声波和X射线技术,只能在癌症形成团块后检测到它们。但是,用光学聚焦,你就可以在癌细胞经历生化变化、但还没有改变形态之前捕捉它们。”

  该技术可能取代其他的诊断筛查方法。例如,它可以用来测量一种叫做胆红素的蛋白质在婴儿体内的浓度,以确定其对黄疸的风险。Ruan说:“目前,这一检测程序需要抽血,但是用TRUME,我们可以用一束光照到婴儿体内,并寻找胆红素分子的独特吸收特征。”

  结合现有的技术,让科学家利用光激活实验室动物的单个神经元,TRUME可以帮助神经系统科学家更好地了解大脑是如何工作的。杨教授说:“目前,神经系统科学家局限于大脑的浅层。但我们的光学聚焦方法,可让我们用一种微创的方法,来探测大脑的深层区域。”

  注:杨长辉(男,1965年9月——),1997年入读美国麻省理工学院学习物理,后担任加州理工学院电子工程与生物工程师。2008年入选美国《探索》杂志评选出的美国20位40岁以下最聪明科学家,2010年获美国国家卫生研究院(NIH)创新奖。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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