細(xì)胞的彈性和剛性可以揭示這個細(xì)胞是否是“健康態(tài)”，例如，癌細(xì)胞往往比正常細(xì)胞要軟一些，而受到哮喘影響的細(xì)胞則相當(dāng)“僵硬”。從這個角度來說，如果我們能夠通過一種好的方法來探測到細(xì)胞的機(jī)械性能，那么，我們就能很好的揭示疾病。

　　因而，確定細(xì)胞的機(jī)械性能可以幫助醫(yī)生對特定疾病的發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行跟蹤和診斷。現(xiàn)有的方式是通過昂貴的儀器來直接探測細(xì)胞，例如原子力顯微鏡（atomicforcemicroscopes）和光學(xué)鑷子（opticaltweezers），它可以直接的與細(xì)胞進(jìn)行侵入式的接觸。侵入式的接觸總會帶來不同程度的破壞和影響的，如果我們希望嘗試一種更簡便的、非侵入式的方式測算細(xì)胞的機(jī)械性能，該如何著手呢？

　　現(xiàn)在，MIT的工程師們設(shè)計了一種方法用來評估細(xì)胞的機(jī)械性能，并且方式很簡單，只要“觀察”就可以。

　　研究人員使用了標(biāo)準(zhǔn)的共聚焦熒光顯微鏡，來對細(xì)胞顆粒的恒定的微調(diào)運動進(jìn)行歸零，這些運動可用于對細(xì)胞的剛性進(jìn)行解碼。與光學(xué)鑷子不同，研究團(tuán)隊的這項技術(shù)是非侵入性的、在探測細(xì)胞內(nèi)容物時對其改變和破壞的風(fēng)險都非常的小。

　　“這里有幾種疾病，例如特定類型的癌癥和哮喘，其中我們已經(jīng)知道細(xì)胞的剛性同疾病的表型相關(guān)聯(lián)，”研究的資深作者M(jìn)IT機(jī)械工程學(xué)院助理教授MingGuo表示，“這項技術(shù)真正打開了大門，如果醫(yī)生或者生物學(xué)家想要以一種非常快速、非侵入式的方式來了解細(xì)胞內(nèi)容物的性質(zhì)，現(xiàn)在就可以這樣做了。”

　　Guo與研究生SatishKumarGupta的文章發(fā)表在雜志《JournaloftheMechanicsandPhysicsofSolids》上。

　　咖啡里的勺子

　　研究的理論基礎(chǔ)還要從上個世紀(jì)說起。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦（AlbertEinstein）在博士論文中得出了一個公式，被稱為斯托克斯-愛因斯坦方程（Stokes-Einsteinequation），這使得通過觀察和測量材料中粒子的運動計算材料的機(jī)械性能成為可能。只有一個要抓住的要點：材料必須是“平衡的”，意思是任何顆粒運動必須是由于材料溫度的影響而不是作用在顆粒上的任何外力。

　　“你可以將平衡想象成一杯熱的咖啡，”Guo表示，“咖啡的溫度可以獨立驅(qū)動糖的分散?，F(xiàn)在，如果你使用勺子攪拌咖啡，糖就會分散得快一些，但是系統(tǒng)就不再是由溫度獨自驅(qū)動的，也不再是平衡的了。你改變了環(huán)境，注入了能量并且使得反應(yīng)的發(fā)生加快了。”

　　在細(xì)胞中，例如線粒體和溶酶體等細(xì)胞器會持續(xù)響應(yīng)細(xì)胞的溫度而輕輕振動。然而，Guo指出，這里也有“很多微小的勺子”在攪拌周圍的細(xì)胞質(zhì)。它們以蛋白質(zhì)和分子的形式，每隔一段時間就會積極的推動細(xì)胞器的振動。

　　細(xì)胞中這些持續(xù)的活動使得科學(xué)家們很難僅僅通過觀察就進(jìn)行清晰的辨別，哪些運動是由于溫度，而哪些是由于更活躍的、“與攪拌的勺子相似”的過程。Guo表示，這種限制已經(jīng)“”從基本上關(guān)閉了使用愛因斯坦平衡以及通過單純的觀察測量出細(xì)胞的機(jī)械性能的大門。

　　幀與幀的不同

　　Guo與Gupta推測，可能有一種方法可以挑選出溫度-驅(qū)動的細(xì)胞內(nèi)運動，需要通過在非常狹窄的時間幀內(nèi)進(jìn)行觀察。他們意識到僅僅通過溫度激發(fā)的顆粒表現(xiàn)出恒定的抖動運動。無論你在什么時間觀察一個溫度-驅(qū)動的例子，它都在振動。

　　與之相對的是，敲擊一個周圍滿是細(xì)胞質(zhì)的粒子的活動過程發(fā)生得非常偶然。他們假設(shè)，這樣的活躍運動需要在一個長時間幀內(nèi)被觀察到。

　　為了驗證他們的假說，研究人員用人類的黑色素瘤細(xì)胞執(zhí)行了一項實驗。黑色素瘤細(xì)胞是一個癌癥細(xì)胞系，他們具有生長迅速的特性。研究人員將小的聚合物顆粒注射到每一個細(xì)胞內(nèi)部，然后通過標(biāo)準(zhǔn)共焦熒光顯微鏡跟蹤它們的運動。他們還通過向細(xì)胞培養(yǎng)液中加入鹽類來使細(xì)胞的剛性多樣化，加入鹽份可以使得細(xì)胞中的水流失，使得細(xì)胞更加緊湊和僵化。

　　研究人員通過不同的幀頻率對細(xì)胞進(jìn)行視頻記錄，觀察細(xì)胞僵化如何改變粒子的運動。當(dāng)他們在高于每秒10幀的頻率下觀察細(xì)胞，他們更多的觀察到粒子原位振動，這些振動似乎是由溫度單獨引起的。只有在緩慢的幀速率下，通過對粒子在細(xì)胞內(nèi)更廣泛的范圍內(nèi)進(jìn)行拍攝，他們會觀察到更活躍、隨機(jī)的運動。

　　在每一個視頻中，他們跟蹤了粒子的路徑，并應(yīng)用了一個他們開發(fā)的用來計算粒子平均運動距離的算法。然后他們將該運動值插入斯托克斯—愛因斯坦方程的廣義格式。

　　Guo與Gupta將他們計算所得的細(xì)胞剛性與通過光學(xué)鑷子的實際測量值的進(jìn)行了比對。當(dāng)他們使用以高于10幀/秒的頻率捕獲的粒子的運動時，他們的計算與測量數(shù)據(jù)能夠匹配。Guo表示，這表明在高速幀速率下，粒子的運動發(fā)生確實是溫度-驅(qū)動。

　　團(tuán)隊的結(jié)果還表明了，如果研究人員以足夠高的幀速率觀察細(xì)胞，他們可以就可以分離出單純由溫度驅(qū)動的粒子運動，并且確定它們的平均位移——一個可以直接插入愛因斯坦方程來計算細(xì)胞剛性的值。

　　細(xì)胞剛性與揭示疾病

　　“現(xiàn)在，如果人們想要衡量細(xì)胞的機(jī)械性能，只要觀察它們就可以了，”Guo指出。

　　團(tuán)隊現(xiàn)在正在與馬薩諸塞州綜合醫(yī)院（MassachusettsGeneralHospital）的醫(yī)生展開合作，他們希望通過這項新的、非侵入性的技術(shù)研究包括癌癥、哮喘以及其他由于疾病的發(fā)展而發(fā)生性能改變的細(xì)胞。

　　“人們有這樣一個關(guān)于結(jié)構(gòu)改變的想法，但是醫(yī)生希望使用這種方法來論證是否有這種改變，以及是否我們可以利用這種改變來診斷和揭示這些疾病，”Guo指出。