最近，加州理工學院的科學家開發出一種新技術，使用充滿氣體的微泡，聚集組織內的光線，有望為醫生提供一種微創的方式，用激光摧毀腫瘤，并提高醫學影像的診斷水平。
聚焦體內光線的主要挑戰在于，生物組織是光學不透明的。與透明玻璃不同的是，構成組織的這些細胞和蛋白質可散播和吸收光。
本文通訊作者、加州理工學院電氣工程、生物工程和醫學工程教授楊長輝（Changhuei Yang）指出：“就光線而言，我們的組織表現得很像濃霧。正如我們不能聚焦汽車的前照燈穿過濃霧一樣，科學家們一直很難聚焦光線通過組織。”
為了避免這個問題，楊教授和他的研究團隊轉向了微泡（microbubbles）——常用于醫學，增強超聲成像的對比度。
充滿氣體的微泡，被封裝在薄的蛋白質殼中，并具有一種聲學的折射率——這種屬性影響著聲波如何傳播通過介質——不同于活組織。因此，它們對聲波的反應不同。楊長輝實驗室的博士后阮浩文（音譯，Haowen Ruan）指出：“你可以用超聲波，使微泡迅速的擴張與收縮，這種振動有助于將它們與周圍的組織區分開來，因為它們能比生物組織更有效地反射聲波。”
此外，微氣泡的光折射率與生物組織的不同。光的折射率是光線從一種介質（例如，液體）過渡到另一種介質（例如，氣體）時彎曲多少的一個衡量。
楊教授、阮博士和研究生Mooseok Jang開發了一種新技術，叫做TRUME，利用微泡和組織的聲學和光學折射率之間的不匹配，來聚集體內的光線。首先，用超聲波使注入組織的微泡破裂。
通過在這個事件之前和之后測量光傳導的差異，加州理工學院的研究人員可以修改一束激光的波前，因此可以專注于微泡的原始位置。楊教授解釋道：“結果就好像，你在黑暗中尋找某個人，突然有人放出一道閃光。一個短暫的瞬間，人被照亮，你就可以定位他們的位置。”
這項新的研究，于2015年11月24日發表在《Nature Communications》雜志上，該研究小組表明，他們的TRUME技術可以作為一個有效的“導引星”，將激光束聚集在生物組織中的特定位置。一個單一的、瞄得準的微泡，足以成功地聚集激光；多個彈出的氣泡位于目標附近，作為光線的導航地圖。
楊教授說：“每一個彈出事件都作為一個路線圖，讓扭轉的光線軌線通過組織。我們可以使用該路線圖來形成光，它將以這樣的方式，聚集在氣泡破裂的地方。”
如果TRUME被證明可在活組織中起有效作用——例如，沒有任何來自破裂微泡的負面影響，它就可以促成一系列研究和醫學應用。例如，通過將微氣泡與抗體探針結合，設計出與癌癥相關的生物標志物，醫生就可以靶定、然后摧毀身體深處的腫瘤，或盡早檢測出惡性腫瘤。
楊教授說：“超聲波和X射線技術，只能在癌癥形成團塊后檢測到它們。但是，用光學聚焦，你就可以在癌細胞經歷生化變化、但還沒有改變形態之前捕捉它們。”
該技術可能取代其他的診斷篩查方法。例如，它可以用來測量一種叫做膽紅素的蛋白質在嬰兒體內的濃度，以確定其對黃疸的風險。Ruan說：“目前，這一檢測程序需要抽血，但是用TRUME，我們可以用一束光照到嬰兒體內，并尋找膽紅素分子的獨特吸收特征。”
結合現有的技術，讓科學家利用光激活實驗室動物的單個神經元，TRUME可以幫助神經系統科學家更好地了解大腦是如何工作的。楊教授說：“目前，神經系統科學家局限于大腦的淺層。但我們的光學聚焦方法，可讓我們用一種微創的方法，來探測大腦的深層區域。”
注：楊長輝（男，1965年9月——），1997年入讀美國麻省理工學院學習物理，后擔任加州理工學院電子工程與生物工程師。2008年入選美國《探索》雜志評選出的美國20位40歲以下最聰明科學家，2010年獲美國國家衛生研究院（NIH）創新獎。
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