細胞的彈性和剛性可以揭示這個(gè)細胞是否是“健康態(tài)”，例如，癌細胞往往比正常細胞要軟一些，而受到哮喘影響的細胞則相當“僵硬”。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果我們能夠通過(guò)一種好的方法來(lái)探測到細胞的機械性能，那么，我們就能很好的揭示疾病。

　　因而，確定細胞的機械性能可以幫助醫生對特定疾病的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行跟蹤和診斷?，F有的方式是通過(guò)昂貴的儀器來(lái)直接探測細胞，例如原子力顯微鏡（atomicforcemicroscopes）和光學(xué)鑷子（opticaltweezers），它可以直接的與細胞進(jìn)行侵入式的接觸。侵入式的接觸總會(huì )帶來(lái)不同程度的破壞和影響的，如果我們希望嘗試一種更簡(jiǎn)便的、非侵入式的方式測算細胞的機械性能，該如何著(zhù)手呢？

　　現在，MIT的工程師們設計了一種方法用來(lái)評估細胞的機械性能，并且方式很簡(jiǎn)單，只要“觀(guān)察”就可以。

　　研究人員使用了標準的共聚焦熒光顯微鏡，來(lái)對細胞顆粒的恒定的微調運動(dòng)進(jìn)行歸零，這些運動(dòng)可用于對細胞的剛性進(jìn)行解碼。與光學(xué)鑷子不同，研究團隊的這項技術(shù)是非侵入性的、在探測細胞內容物時(shí)對其改變和破壞的風(fēng)險都非常的小。

　　“這里有幾種疾病，例如特定類(lèi)型的癌癥和哮喘，其中我們已經(jīng)知道細胞的剛性同疾病的表型相關(guān)聯(lián)，”研究的資深作者M(jìn)IT機械工程學(xué)院助理教授MingGuo表示，“這項技術(shù)真正打開(kāi)了大門(mén)，如果醫生或者生物學(xué)家想要以一種非?？焖?、非侵入式的方式來(lái)了解細胞內容物的性質(zhì)，現在就可以這樣做了。”

　　Guo與研究生SatishKumarGupta的文章發(fā)表在雜志《JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids》上。

　　咖啡里的勺子

　　研究的理論基礎還要從上個(gè)世紀說(shuō)起。1905年，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）在博士論文中得出了一個(gè)公式，被稱(chēng)為斯托克斯-愛(ài)因斯坦方程（Stokes-Einsteinequation），這使得通過(guò)觀(guān)察和測量材料中粒子的運動(dòng)計算材料的機械性能成為可能。只有一個(gè)要抓住的要點(diǎn)：材料必須是“平衡的”，意思是任何顆粒運動(dòng)必須是由于材料溫度的影響而不是作用在顆粒上的任何外力。

　　“你可以將平衡想象成一杯熱的咖啡，”Guo表示，“咖啡的溫度可以獨立驅動(dòng)糖的分散?，F在，如果你使用勺子攪拌咖啡，糖就會(huì )分散得快一些，但是系統就不再是由溫度獨自驅動(dòng)的，也不再是平衡的了。你改變了環(huán)境，注入了能量并且使得反應的發(fā)生加快了。”

　　在細胞中，例如線(xiàn)粒體和溶酶體等細胞器會(huì )持續響應細胞的溫度而輕輕振動(dòng)。然而，Guo指出，這里也有“很多微小的勺子”在攪拌周?chē)募毎|(zhì)。它們以蛋白質(zhì)和分子的形式，每隔一段時(shí)間就會(huì )積極的推動(dòng)細胞器的振動(dòng)。

　　細胞中這些持續的活動(dòng)使得科學(xué)家們很難僅僅通過(guò)觀(guān)察就進(jìn)行清晰的辨別，哪些運動(dòng)是由于溫度，而哪些是由于更活躍的、“與攪拌的勺子相似”的過(guò)程。Guo表示，這種限制已經(jīng)“”從基本上關(guān)閉了使用愛(ài)因斯坦平衡以及通過(guò)單純的觀(guān)察測量出細胞的機械性能的大門(mén)。

　　幀與幀的不同

　　Guo與Gupta推測，可能有一種方法可以挑選出溫度-驅動(dòng)的細胞內運動(dòng)，需要通過(guò)在非常狹窄的時(shí)間幀內進(jìn)行觀(guān)察。他們意識到僅僅通過(guò)溫度激發(fā)的顆粒表現出恒定的抖動(dòng)運動(dòng)。無(wú)論你在什么時(shí)間觀(guān)察一個(gè)溫度-驅動(dòng)的例子，它都在振動(dòng)。

　　與之相對的是，敲擊一個(gè)周?chē)鷿M(mǎn)是細胞質(zhì)的粒子的活動(dòng)過(guò)程發(fā)生得非常偶然。他們假設，這樣的活躍運動(dòng)需要在一個(gè)長(cháng)時(shí)間幀內被觀(guān)察到。

　　為了驗證他們的假說(shuō)，研究人員用人類(lèi)的黑色素瘤細胞執行了一項實(shí)驗。黑色素瘤細胞是一個(gè)癌癥細胞系，他們具有生長(cháng)迅速的特性。研究人員將小的聚合物顆粒注射到每一個(gè)細胞內部，然后通過(guò)標準共焦熒光顯微鏡跟蹤它們的運動(dòng)。他們還通過(guò)向細胞培養液中加入鹽類(lèi)來(lái)使細胞的剛性多樣化，加入鹽份可以使得細胞中的水流失，使得細胞更加緊湊和僵化。

　　研究人員通過(guò)不同的幀頻率對細胞進(jìn)行視頻記錄，觀(guān)察細胞僵化如何改變粒子的運動(dòng)。當他們在高于每秒10幀的頻率下觀(guān)察細胞，他們更多的觀(guān)察到粒子原位振動(dòng)，這些振動(dòng)似乎是由溫度單獨引起的。只有在緩慢的幀速率下，通過(guò)對粒子在細胞內更廣泛的范圍內進(jìn)行拍攝，他們會(huì )觀(guān)察到更活躍、隨機的運動(dòng)。

　　在每一個(gè)視頻中，他們跟蹤了粒子的路徑，并應用了一個(gè)他們開(kāi)發(fā)的用來(lái)計算粒子平均運動(dòng)距離的算法。然后他們將該運動(dòng)值插入斯托克斯—愛(ài)因斯坦方程的廣義格式。

　　Guo與Gupta將他們計算所得的細胞剛性與通過(guò)光學(xué)鑷子的實(shí)際測量值的進(jìn)行了比對。當他們使用以高于10幀/秒的頻率捕獲的粒子的運動(dòng)時(shí)，他們的計算與測量數據能夠匹配。Guo表示，這表明在高速幀速率下，粒子的運動(dòng)發(fā)生確實(shí)是溫度-驅動(dòng)。

　　團隊的結果還表明了，如果研究人員以足夠高的幀速率觀(guān)察細胞，他們可以就可以分離出單純由溫度驅動(dòng)的粒子運動(dòng)，并且確定它們的平均位移——一個(gè)可以直接插入愛(ài)因斯坦方程來(lái)計算細胞剛性的值。

　　細胞剛性與揭示疾病

　　“現在，如果人們想要衡量細胞的機械性能，只要觀(guān)察它們就可以了，”Guo指出。

　　團隊現在正在與馬薩諸塞州綜合醫院（MassachusettsGeneralHospital）的醫生展開(kāi)合作，他們希望通過(guò)這項新的、非侵入性的技術(shù)研究包括癌癥、哮喘以及其他由于疾病的發(fā)展而發(fā)生性能改變的細胞。

　　“人們有這樣一個(gè)關(guān)于結構改變的想法，但是醫生希望使用這種方法來(lái)論證是否有這種改變，以及是否我們可以利用這種改變來(lái)診斷和揭示這些疾病，”Guo指出。