近日，一篇发表在国际杂志Communications Biology上题为“Label-free Brillouin endo-microscopy for the quantitative 3D imaging of sub-micrometre biology”的研究报告中，来自诺丁汉大学等机构的科学家们成功研发了一种内窥镜装置，能够对单个生物细胞乃至复杂有机体进行三维硬度成像，这一突破性成果有望助力临床医师更早发现并干预癌症病情。
在癌症发展的初期阶段，癌细胞相较于正常细胞呈现出更为柔韧的特性，这使它们得以穿越微小间隙，进而快速扩散至全身，此过程即所谓的癌症转移。与此同时，癌细胞群集还会改变周边环境，形成坚固的肿瘤屏障以抵御外部侵害。在本研究中，科研人员创新设计的新型技术采用纤细如发丝的内窥镜探头，能够精确测量单个细胞的硬度，这标志着人们首次能够在人体单细胞层级依据硬度差异进行组织学的量化分析，即微观细胞组织的精细探查。
研究者Salvatore La Cavera III博士说道，“我们的目标是开发新型内窥镜技术，从而使得患者和临床医生的诊断更加迅速、安全且清晰。传统的组织病理学检查通常依赖于破坏性的侵入性活检，这不仅会给患者带来痛苦和潜在伤害，还涉及到一系列繁琐的后处理流程，如化学处理、样本运送与分析等。我们研发的新型设备有望实现‘感知硬度’的目标，但在微观单细胞层面，它能在癌细胞演变为更大恶性肿瘤之前，更早发现其硬度异常，这是一款非侵入性、无害且极具前景的设备，结合人工智能技术用于定量识别癌细胞，为医疗资源匮乏地区提供急需的解决方案，并着手解决困扰业界数十年的实际问题。”
这种工具实现了令人难以置信的高成像分辨率，因为其能通过一种称之为布里渊散射（Brillouin scattering）的物理现象来检测十亿分之一米（即纳米级别）的物体的硬度/刚度，在这种物理现象中，激光束与样本的天然硬度会相互作用。
研究团队运用这一先进技术助力生物学家对秀丽隐杆线虫进行了三维硬度可视化研究，这种线虫为生物体解剖结构中难以观测的角质层提供了详细的研究素材，迄今为止，这部分结构只能在非活体状态下通过电子显微镜成像。
科学家开发出世界首个用于提前进行人类癌症诊断的微小硬度探针
图片来源：Communications Biology (2024). DOI:10.1038/s42003-024-06126-4
研究者Veeren Chauhan强调：“我们展示了这种新一代激动人心技术的巨大潜力，它以前所未有的详尽程度揭示了完整微小生物体的物理表面特征。秀丽隐杆线虫作为人类生物学研究的理想模型，因其在遗传学、神经生物学和发育生物学方面的深入理解而备受推崇。迄今为止，利用传统技术在生命系统中对这些微观层面进行观察几乎是不可能的，尤其是常常需要牺牲动物样本。而我们开发的新型探针具有重大意义，因为它可能使科研人员在整个线虫生命周期（约三天，对应人类则需18年以上）内连续追踪其物理表面特性的演变过程。这一能力不仅深化了科学家们对线虫生物特性理解，也有助于构建基础模型，将这些发现延伸至包括人类生理学在内的复杂生物系统，为基本生物学研究和临床诊断方法的进步奠定了基石。”
总结而言，本研究中科研人员开发出一种无需标记、具备亚细胞分辨率且兼容内窥镜技术的手段，有望揭示组织内部与其结构生物学相关的材料特性，为基于单细胞层面的体内可塑性诊断开辟新的途径。
参考文献：
Salvatore La Cavera III,Veeren M. Chauhan,William Hardiman, et al. Label-free Brillouin endo-microscopy for the quantitative 3D imaging of sub-micrometre biology, Communications Biology (2024). DOI:10.1038/s42003-024-06126-4
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