对活体动物体内的单个细胞进行成像极其困难，但这对于研究体内细胞和组织的功能至关重要。利用基于光的技术，研究人员能够对这些独特的实体进行成像、识别和设计，但其穿透组织距离有限。

为了帮助我们更深入地了解人体内部，我们需要新的、改进的仿生声学技术。苏格兰的一个研究小组相信，他们研发的新型显微镜技术可以做到这一点。利用微米级激光，该团队能够追踪跳动引起的心脏细胞折射率变化。

为什么需要改进生物光子技术？

核磁共振和超声波等医学成像技术使研究人员能够看到身体内部，但只能看到一定距离，而且分辨率较低，因此很难看到单个细胞。

基于荧光的显微镜技术利用相机记录细胞内荧光染料发出的光，从而确定单个细胞的特征。例如，它可以用于对体内 脑细胞进行成像，但它具有侵入性且应用难度高，因为它需要用类似舷窗的窗口替换一块颅骨才能直接观察组织。

荧光显微镜也只能对组织最外层的几层细胞进行成像——例如相当于心脏中约100微米的组织，因此对于观察组织深处并不是特别有用。“我们真的需要更亮的光源，”苏格兰圣安德鲁斯大学的马塞尔·舒伯特博士说道。

新型激光显微镜技术

舒伯特和他的同事开发了一种新的显微镜技术，利用微米级激光器直接植入心脏细胞内来追踪细胞跳动。他们没有直接将染料分子放入细胞内，而是使用了注入染料分子的微米级塑料珠；这些珠子可以充当激光器。

当珠子受到光线照射时，染料分子开始发出荧光。由于其特殊的折射特性，大部分荧光被困在珠子内部，并围绕其外表面循环。

在某些波长下，这种循环光会发生“建设性干扰”，强度会增加；当循环光照射到激发的染料分子并从受激发射中获得额外的光子时，也会发生这种情况，就像普通激光一样。

一些循环光会逸出，产生比传统荧光显微镜技术亮1000倍的激光信号。因此，它更容易被发现，而这正是该团队感兴趣的。

微米激光器的实际应用

当将珠子放置在分离的小鼠心脏细胞旁边时，细胞会将其吞噬。当珠子暴露在光线下时，激光的波长会随着细胞收缩和扩张而上下移动。舒伯特说，激光发射的光的颜色变化很小，但在光谱仪上却清晰可见。

这种颜色变化令人大吃一惊，据信是由心肌细胞的细胞机制中以前未被认识到的变化引起的。 ”

马塞尔·舒伯特博士，皇家学会物理与天文学院研究员

这些变化被认为是由肌原纤维局部折射率的变化引起的。肌原纤维是一种细长的蛋白质，每次心脏跳动时都会收缩。收缩时，细胞内局部蛋白质的密度会暂时增加，而蛋白质松弛伸长时，密度会下降。

舒伯特使用共聚焦显微镜追踪了最靠近珠子的肌原纤维的长度变化；他们发现缩短和延长与波长变化完全相关。

研究团队用活体斑马鱼心脏和大鼠心脏组织切片进行了实验。利用后者，他们能够透过400微米厚的组织检测到珠子发出的跳动信号。

舒伯特说：“其他人曾尝试监测组织深处的折射率变化，但没有成功。而我们证明了，利用激光珠确实可以做到这一点。”

生物光子学的未来

有了这样的技术，生物光子学的未来一片光明。技术越先进，我们就越能了解体内细胞，而无需将它们从自然栖息地移走或在实验室中进行人工培养。

此类微型激光器可以轻松生产数百万台，而且与许多现代显微镜及其相关基础设施相比，价格相对便宜。

舒伯特和他的团队正在研究由一种名为磷化铟镓的半导体制成的更小的激光器。初步研究表明，这些纳米级的圆盘激光器可以追踪细胞折射率的变化，而且由于其尺寸小巧，可以在单个细胞中使用多个激光器，从而实现细胞内的局部测量。

我们还计划在实验室培育的 3D 心脏组织中进行进一步的实验，例如，使用激光监测胚胎内部发育过程中心脏的生物力学特性。