用微纳光纤“听诊器”感知细胞“心跳”

转自：科技日报

你听过细胞跳动的声音吗？

在显微镜下，一个单独的心肌细胞就像一台微小的生命发动机，会收缩和舒张。力学信号犹如细胞健康的“密码”，解码它们对于理解疾病机制、评估药物效果具有科学价值。

然而，如果说一滴水落下的声音是一声鼓点，那么细胞的收缩更像是鼓面上一粒尘埃的轻颤，很难在不干扰它的情况下听到它的“心跳”。

能否把“听诊器”缩小到和单个细胞差不多大的微米尺寸，来听诊细胞的脉动？

浙江大学光电科学与工程学院教授张磊、童利民团队对这个充满想象力的问题给出了肯定的答案——他们研制出一种基于微纳光纤悬臂梁的“细胞听诊器”，能够在液体环境中灵敏探测细胞活动产生的微弱力学信号，并将心肌细胞的脉动转化为可听见的声音。相关成果日前在线发表于国际期刊《自然·光子学》。

细胞力学信号难以捕捉

在显微镜下，细胞看起来安静而柔软。但实际上，活细胞从来不是“静止”的：它们会移动、变形、分裂，也会感知环境并作出反应。比如心肌细胞，就像一台微小的生命发动机，会有节律地收缩和舒张。这些生命活动背后，都离不开“力”。

然而，细胞产生的力极其微小。它不像心脏跳动那样能被听诊器直接捕捉，也远低于人类触觉感知的极限。

这种力通常只有皮牛顿，也就是一万亿分之一牛顿量级。许多细胞内部的分子相互作用、细胞骨架运动，以及心肌细胞收缩过程中的关键信号，都藏在这些微弱的力学变化中。

要测量这些力，并非简单地把探针放到细胞旁边就能完成：探针如果太“硬”，就可能像用手指触碰肥皂泡一样，还没测准，就已改变了细胞原本的运动状态；传感器如果不能在液体中稳定工作，就无法进入真实的细胞培养环境；读出速度如果不够快，就会错过细胞快速收缩和舒张的瞬间。

能不能做出足够轻柔、灵敏、快速的“微型听诊器”，在不打扰细胞的情况下，捕捉它们微弱而快速变化的力学信号？这成为研究团队关注的焦点。

光学微悬臂可“搭脉听诊”

“我们的思路，是把一根直径比头发丝还细100倍的微纳光纤做成光学微悬臂，来倾听细胞的活动信号。”张磊说。

团队自主搭建了精密的器件制备平台，将一根直径微米量级的光纤进行拉伸、扭转，并封装在生物相容的透明薄膜中，最终形成柔软而灵敏的光学微悬臂。

细胞运动会对外部环境产生极其微弱的扰动，而光学微悬臂的巧妙之处，就是把这些难以察觉的细胞活动转化为可被精准读取的光学信号。“为了检测这种极其微弱的变化，我们基于微纳光纤干涉结构，使用超灵敏的光学相位检测技术，测量细胞运动引起的微悬臂结构的微小形变。”童利民说。

换句话说，细胞的“脉动”会引起微悬臂结构形变，形变再被转化为光信号的变化，进而形成细胞收缩的力学曲线，甚至能转换成可以听见的声音。这样，一根微纳光纤就像一个细胞尺度的“听诊器”，用来倾听生命的微弱律动。

然而，要成为真正可用的“细胞听诊器”，它必须同时满足几个条件：足够轻柔，不能打扰细胞原本的运动；足够灵敏，能够感知极其微弱的力；还要足够快速，不能错过细胞收缩和舒张的瞬间。

为此，研究团队通过调控微纳光纤直径和微悬臂结构，让光学微悬臂变得又“软”又“灵”。“在实验中，我们发现微悬臂可以实现0.2皮牛顿的力分辨率，这已经进入许多细胞与分子力学活动所在的尺度。”团队成员、浙江大学光电科学与工程学院博士研究生屠锡涛说，“同时，该器件的动态响应频率最高可达10兆赫兹，这意味着它能够跟踪每秒千万次量级的快速变化，为细胞力学研究、微纳力学测量、液体微反应分析等领域带来新可能。”

为药物评价打开新窗口

更令人兴奋的，是“细胞听诊器”在活细胞力学测量中的表现。

研究团队与河南省医学科学院合作，选取心肌细胞作为研究对象。心肌细胞在电刺激下会周期性收缩，产生微弱而规律的力学信号。光学微悬臂与细胞轻柔接触，在几乎不干扰其自然运动的情况下，实时记录不同频率下的细胞收缩过程，获得收缩幅度、频率和节律等信息。

这个“细胞听诊器”不仅能测量力，还能与显微成像和钙荧光成像结合，实现力学信号与细胞微观状态的多维度同步记录。团队自主搭建了多模态细胞力学分析系统，同步记录细胞力学信号、显微图像和钙信号变化。实验发现，钙荧光信号先于细胞力学收缩出现，这与细胞“电信号—钙离子变化—机械收缩”的生命过程吻合。

研究人员还测试了药物对心肌细胞的影响。结果显示，适当浓度的异丙肾上腺素可以增强细胞收缩，而过高浓度可能导致功能异常和节律紊乱。

通过“细胞听诊器”，研究人员可以像观察“心跳曲线”一样，实时监控药物加入前后细胞力学状态的变化，为药物评价和心脏疾病研究提供了一种新的细胞尺度观察窗口。

团队还将低频细胞收缩信号转换成可听音频。于是，原本只能在显微镜和曲线中呈现的生命过程，变成了耳朵也能感知的“细胞心跳”。

这项成果的背后，是浙江大学打造的多学科交叉创新生态：光学让微弱信号被精准读出，力学让细胞运动被定量理解，生命科学则让这一技术走向活细胞和健康问题，三者在一根微纳光纤上实现了交汇。

目前，研究团队正推动这项技术在心脏疾病机制研究、新药开发与评价、疾病早期诊断等领域进一步应用，为在细胞尺度理解疾病、评估药物和发现健康线索提供新的技术工具。（本报记者 江 耘）