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最近，加州理工學(xué)院的科學(xué)家開發(fā)出一種新技術(shù)，使用充滿氣體的微泡，聚集組織內(nèi)的光線，有望為醫(yī)生提供一種微創(chuàng)的方式，用激光摧毀腫瘤，并提高醫(yī)學(xué)影像的診斷水平。
聚焦體內(nèi)光線的主要挑戰(zhàn)在于，生物組織是光學(xué)不透明的。與透明玻璃不同的是，構(gòu)成組織的這些細(xì)胞和蛋白質(zhì)可散播和吸收光。
本文通訊作者、加州理工學(xué)院電氣工程、生物工程和醫(yī)學(xué)工程教授楊長(zhǎng)輝（Changhuei Yang）指出：“就光線而言，我們的組織表現(xiàn)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(xué)家們一直很難聚焦光線通過組織。”
為了避免這個(gè)問題，楊教授和他的研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了微泡（microbubbles）——常用于醫(yī)學(xué)，增強(qiáng)超聲成像的對(duì)比度。
充滿氣體的微泡，被封裝在薄的蛋白質(zhì)殼中，并具有一種聲學(xué)的折射率——這種屬性影響著聲波如何傳播通過介質(zhì)——不同于活組織。因此，它們對(duì)聲波的反應(yīng)不同。楊長(zhǎng)輝實(shí)驗(yàn)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(kuò)張與收縮，這種振動(dòng)有助于將它們與周圍的組織區(qū)分開來，因?yàn)樗鼈兡鼙壬锝M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(zhì)（例如，液體）過渡到另一種介質(zhì)（例如，氣體）時(shí)彎曲多少的一個(gè)衡量。
楊教授、阮博士和研究生Mooseok Jang開發(fā)了一種新技術(shù)，叫做TRUME，利用微泡和組織的聲學(xué)和光學(xué)折射率之間的不匹配，來聚集體內(nèi)的光線。首先，用超聲波使注入組織的微泡破裂。
通過在這個(gè)事件之前和之后測(cè)量光傳導(dǎo)的差異，加州理工學(xué)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(jié)果就好像，你在黑暗中尋找某個(gè)人，突然有人放出一道閃光。一個(gè)短暫的瞬間，人被照亮，你就可以定位他們的位置。”
這項(xiàng)新的研究，于2015年11月24日發(fā)表在《Nature Communications》雜志上，該研究小組表明，他們的TRUME技術(shù)可以作為一個(gè)有效的“導(dǎo)引星”，將激光束聚集在生物組織中的特定位置。一個(gè)單一的、瞄得準(zhǔn)的微泡，足以成功地聚集激光；多個(gè)彈出的氣泡位于目標(biāo)附近，作為光線的導(dǎo)航地圖。
楊教授說：“每一個(gè)彈出事件都作為一個(gè)路線圖，讓扭轉(zhuǎn)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(fù)面影響，它就可以促成一系列研究和醫(yī)學(xué)應(yīng)用。例如，通過將微氣泡與抗體探針結(jié)合，設(shè)計(jì)出與癌癥相關(guān)的生物標(biāo)志物，醫(yī)生就可以靶定、然后摧毀身體深處的腫瘤，或盡早檢測(cè)出惡性腫瘤。
楊教授說：“超聲波和X射線技術(shù)，只能在癌癥形成團(tuán)塊后檢測(cè)到它們。但是，用光學(xué)聚焦，你就可以在癌細(xì)胞經(jīng)歷生化變化、但還沒有改變形態(tài)之前捕捉它們。”
該技術(shù)可能取代其他的診斷篩查方法。例如，它可以用來測(cè)量一種叫做膽紅素的蛋白質(zhì)在嬰兒體內(nèi)的濃度，以確定其對(duì)黃疸的風(fēng)險(xiǎn)。Ruan說：“目前，這一檢測(cè)程序需要抽血，但是用TRUME，我們可以用一束光照到嬰兒體內(nèi)，并尋找膽紅素分子的獨(dú)特吸收特征。”
結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)，讓科學(xué)家利用光激活實(shí)驗(yàn)室動(dòng)物的單個(gè)神經(jīng)元，TRUME可以幫助神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家更好地了解大腦是如何工作的。楊教授說：“目前，神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)家局限于大腦的淺層。但我們的光學(xué)聚焦方法，可讓我們用一種微創(chuàng)的方法，來探測(cè)大腦的深層區(qū)域。”
注：楊長(zhǎng)輝（男，1965年9月——），1997年入讀美國(guó)麻省理工學(xué)院學(xué)習(xí)物理，后擔(dān)任加州理工學(xué)院電子工程與生物工程師。2008年入選美國(guó)《探索》雜志評(píng)選出的美國(guó)20位40歲以下最聰明科學(xué)家，2010年獲美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）創(chuàng)新獎(jiǎng)。
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