上海交大,中科大Nature子刊文章备受关注

【字体: 时间:2013年04月27日 来源:生物通

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  来自中国科技大学,上海交通大学的研究人员发表了题为“Trapping red blood cells in living animals using optical tweezers”的文章,利用一种新型技术,捕获并操纵了活体小鼠中皮下毛细血管内的红细胞,从而拓展了动物活细胞动力学研究的应用技术。

  

生物通报道:来自中国科技大学,上海交通大学的研究人员发表了题为“Trapping red blood cells in living animals using optical tweezers”的文章,利用一种新型技术,捕获并操纵了活体小鼠中皮下毛细血管内的红细胞,从而拓展了动物活细胞动力学研究的应用技术,相关成果公布在Nature Communications杂志上。

文章的通讯作者为上海交通大学生物医学工程系魏勋斌教授,以及中国科技大学李银妹教授。魏勋斌教授现任上海交通大学特聘教授,主要研究肿瘤和免疫的在体光学影像和分子探针技术,曾首先建立了可实时无损监测小动物循环肿瘤细胞的在体流式图像系统。李银妹教授一直致力于光镊技术及其应用的研究,这项研究成果是交叉学科交融的成果。

非侵入性生物成像领域目前已经采用各种显微技术和共聚焦等技术,提高了图像的精确度,使得科学家们能深入探索活细胞中细胞过程的分子事件。但是尽管可以在细胞水平上操控微观物体,然而一些生理上的机制,依然无法在体内通过观察细胞而得到解析。

在这篇文章中,研究人员利用红外光镊,捕获并操纵了活体小鼠中皮下毛细血管内的红细胞。光镊(tweezer)是20世纪末激光技术领域的重大发明之一,能应用光的力学效应有效地操控微小粒子,用于研究纳微尺度下物质相互作用。

利用这种技术,研究人员实现了非接触式的微操作,清除了阻塞的微血管。而且研究人员还进一步评估了毛细管中的光阱刚度(optical trap stiffness)。这些研究工作进一步拓展了光镊在动物活细胞动力学研究中的应用。

活体动物成像技术主要包括体内成像和体外成像两个方面,其中体外荧光显微技术一直以来都是现代生命科学研究的基础之一:给荧光基团配上一个合适的配体,比如抗体或者量子点,然后将其与组织样品或者细胞培养物一起温育,最后加上光照,这样标记的分子就能通过显微镜显示出来。但是体外方法有一个“致命伤”——不能在天然环境下描绘生物过程,因此研究人员逐渐从体外观测转向对体内生物体过程的研究。

光镊可以捕获几十纳米透明粒子,但受光学显微镜分辨的极限而无法观察。因此能够捕获的同时观察纳米粒子成了光镊技术深入研究纳米粒子的瓶颈。此前中科大的研究人员在传统光学显微镜光镊系统上从侧面耦合一束片状激光照射样品,在特定的激光入射位置,使样品中粒子的散射光可通过显微镜成像;克服光镊的阱位与显微成像面以及激光照射面三者严格重合的技术关键,实现了光镊捕获100纳米聚苯乙烯小球的同时也能在整个显微视场中观察纳米粒子,达到了光镊捕获纳米粒子的同时也能观测的目的。

除此之外,近期《科学通报》推出了一期专辑,汇集了来自华中科技大学,上海交通大学,东南大学,华南师范大学等多处研究机构,关于纳米生物成像的最新进展,包括涉及基于金纳米粒子的荧光分子信标,靶向多肽连接的量子点,水相合成量子点常用的方法, 以及其在细胞成像及活体成像中的应用等等各个方面的内容,从不同的侧面反应了当前纳米生物成像的某些国际、国内动态。

(生物通:张迪)

相关报道:

近日,中国科学技术大学李银妹课题组与上海交通大学魏勋斌教授合作,采用光镊技术成功捕获活体动物内的细胞,发展了动物体内细胞三维光学捕获技术。研究成果于4月23日在线发表于Nature Communications。

在活的动物体内研究细胞生长、迁移、细胞及蛋白质间相互作用等生物学过程,对生命科学、医学研究以及临床诊断具有重大意义,因此体内研究技术一直是活体研究热点之一。

李银妹课题组利用多年发展的光镊技术,首次对活体动物内的细胞实现光学捕获。研究表明,光镊可以直接深入到活体内,对细胞进行有效操控。研究人员用光镊穿过小鼠耳朵真皮层,到达深度约50微米毛细血管中,捕获和操控血管中的红细胞。将光镊固定在血管中心,血管中快速流动的细胞经过光阱时被逐渐减速,直到一个细胞停留在光阱中,光镊将细胞捕获,并实现了三维操控。同时,课题组在实验中利用光陷阱的作用聚集红细胞,实现了人为制造血管堵塞,并针对血管中已聚集的细胞团簇,拖拽其中一个细胞引导疏通,使聚集的细胞逐渐疏散开,恢复正常血液流动,实施非接触手术式的血管疏通。研究中还提出了活体内皮牛顿力定量测量的方法。

以往光镊技术在生物医学领域的应用仅限于体外的单分子和细胞研究。李银妹课题组的这项研究技术能直接深入到动物活体内对细胞进行实时观察,操控与测量,实施非接触式手术的实验取证,从而开拓了光镊技术研究活体动物新领域,为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术手段。

Nature Communications网站以《医学研究:用光清除血管被堵塞的血管》为题对该研究工作进行报道。报道指出:光镊由激光聚焦形成,目前已经被广泛应用于诸如培养环境中的单分子生物物理研究。然而,光镊之前还没有被应用于操控活体动物体内的细胞。李银妹和她课题组成员将红外激光聚焦于小鼠耳朵真皮层下的血管,然后通过改变激光强度实现血管堵塞,疏通血管。他们通过该技术将各个红细胞从堵塞毛细血管簇中移开,实现血管中血流的恢复。

论文的第一作者为中国科大钟敏成博士后和兼职教授魏勋斌教授。该研究得到了国家科技部“973”计划、国家自然科学基金委和教育部中央高校基本科研业务费专项资金资助。

原文摘要:

Trapping red blood cells in living animals using optical tweezers

The recent development of non-invasive imaging techniques has enabled the visualization of molecular events underlying cellular processes in live cells. Although microscopic objects can be readily manipulated at the cellular level, additional physiological insight is likely to be gained by manipulation of cells in vivo, which has not been achieved so far. Here we use infrared optical tweezers to trap and manipulate red blood cells within subdermal capillaries in living mice. We realize a non-contact micro-operation that results in the clearing of a blocked microvessel. Furthermore, we estimate the optical trap stiffness in the capillary. Our work expands the application of optical tweezers to the study of live cell dynamics in animals.

作者简介:

李银妹教授

中国科学技术大学物理系教授,长期从事光学和激光技术的研究与教学。 1989年在国内最早参加开展光镊技术的研究,此后一直致力于光镊技术及其应用的研究。先后负责承担跨学科领域十余项任务,其中包括国家863计划重大项目,国家基金委物理与生物学交叉重大项目子课题,以及中国科学院创新项目。编译该领域第一部专著《生命科学新技术-光镊原理技术和应用》。

在国际上率先光镊技术应用于基础教学,创建"光的力学效应及光阱pN力的测量"实验,填补了物理教学空白。2002年获中国科学技术大学“科技成果引进物理实验的探索与实践”教学成果一等奖。发表论文50余篇,发明专利3项,中科院鉴定3项。

魏勋斌

魏勋斌博士现任上海交通大学特聘教授,中国光学学会激光医学专业委员会副主任委员,中国光学学会生物医学光子学专业委员会常务委员。主要研究肿瘤和免疫的在体光学影像和分子探针技术,首先建立了可实时无损监测小动物循环肿瘤细胞的在体流式图像系統,共发表NATURE、PNAS等SCI论文40余篇,他引近600余次。获得国家医疗器械注册证一项,国内外专利三项。

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