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为解决生物医学领域在细胞标记追踪、生物传感及细胞力测量等方面的难题，研究人员开展细胞内激光粒子（Microscopic laser particles）相关研究。结果显示，该粒子可用于细胞条形码标记、检测心肌细胞收缩及测量细胞力等，推动了生物医学研究进展。
在生命科学和医学研究的奇妙世界里，科学家们一直渴望拥有更强大、更精准的工具，去探索细胞内部的奥秘。传统的研究方法在面对细胞内复杂的环境和微小的变化时，常常显得力不从心。例如，在细胞标记和追踪方面，常规的荧光染料标记存在光谱带宽限制，难以实现大量细胞的精确区分和长时间跟踪；在检测细胞内的物理和化学变化以及测量细胞力时，现有的技术手段要么精度不够，要么无法在复杂的生物组织环境中应用。这些问题就像一道道屏障，阻碍着科研人员深入了解细胞的生命活动，也限制了生物医学在疾病诊断、治疗和药物研发等方面的发展。
为了突破这些困境，来自德国科隆大学（University of Cologne）洪堡纳米与生物光子中心（Humboldt Centre for Nano and Biophotonics）的研究人员开展了一项极具创新性的研究 —— 细胞内激光粒子（Microscopic laser particles）在生物和生物医学领域的应用探索。他们的研究成果发表在《BIOspektrum》上，为生物医学研究开辟了新的方向，带来了令人振奋的突破。
研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：一是微纳加工技术，用于制备尺寸微小、光学性能优良的激光粒子，这些粒子的制备需要精确控制材料的折射率等参数，以满足在细胞内的应用需求；二是共聚焦显微镜技术（Confocal microscopy），通过该技术可以对细胞内的激光粒子进行高分辨率成像和光谱测量，实时观察粒子在细胞内的行为和变化；三是光学模拟技术，借助此技术研究激光粒子在细胞内的光学特性，为实验设计和结果分析提供理论支持。
细胞内激光粒子的特性与应用研究
- 细胞条形码（Barcoding of Zellen）：研究发现，激光粒子发射的光具有宏观激光的特性，光谱极窄，与传统荧光染料相比优势明显。由于粒子直径的微小差异就能产生不同颜色的激光，每个激光粒子都有独特光谱，基于此开发出的光学条形码技术，可通过检测细胞内激光粒子光谱，精准识别数以千计的细胞。研究人员利用该技术观察癌细胞迁移过程，还对肿瘤球体中的大量细胞进行了长时间追踪，并且结合现代流式细胞术（Flow cytometry）和单细胞测序（Single-cell sequencing），突破了传统荧光标记的限制，实现了更高程度的多重检测。
- 心肌细胞传感器（Sensoren in Herzzellen）：微纳激光粒子可作为传感器，利用其倏逝场（evaneszent field）与周围环境的相互作用来检测变化。当心肌细胞收缩时，细胞内折射率发生微小改变，这会引起激光粒子共振变化，导致激光光谱移动。研究人员通过细胞内激光粒子，能够高分辨率、高时间分辨率地测量心肌细胞的收缩情况，并且这种测量方法已在斑马鱼胚胎心脏收缩测量以及活心脏组织切片的单个细胞收缩测量中得到应用，检测深度远超传统的单光子或多光子显微镜技术。
- 细胞力测量（Messung von Zellkr?ften）：细胞力在胚胎发育和肿瘤扩散等过程中起着关键作用，但现有测量方法大多受组织光学透明度限制。研究人员开发出可变形微纳激光粒子，当外力作用使其变形时，原本单色的激光线会分裂成宽带，通过光学机械模型就能将激光带宽度与外力大小相关联，从而精确测量小于一纳牛顿的生物力。该技术已在肿瘤球体和果蝇幼虫体内的细胞力测量中得到应用，未来还计划用于测量心肌细胞的力。
此次研究表明，细胞内激光粒子在生物医学领域具有巨大的应用潜力。它不仅为细胞标记和追踪提供了更高效、精确的方法，还为生物传感和细胞力测量带来了新的技术手段，突破了传统方法的诸多限制。这一研究成果对于深入理解细胞的生命活动、疾病的发生发展机制具有重要意义，有望推动生物医学在疾病诊断、治疗以及药物研发等方面取得新的进展，为人类健康事业的发展提供强有力的支持。在未来的研究中，随着对激光粒子材料和光学特性的进一步优化，以及对其生物学应用的深入探索，细胞内激光粒子技术必将在生命科学和健康医学领域发挥更大的作用。
