江苏激光联盟导读：

心肌细胞的收缩性是描述跳动的心脏的生物机械特征的一个关键参数，但在功能上对心肌组织的三维功能上的监控采用单细胞分辨率级别的层面对心肌组织进行三维功能的监控还是一个比较大的挑战。来自圣安德鲁斯大学的研究人员引入微回音画廊模式激光器（ microscopic whispering-gallery-mode lasers）注入心肌细胞来实现全光记录瞬时性心脏收缩曲线，这一记录是细胞层级的。该微型激光发出的光对折射率的局部变化具有高的光谱灵敏度，从而实现对单个心肌细胞的长期跟踪、监控药物管理、活斑马鱼器官级别的收缩性的精确测量、通过大鼠心脏组织成百微米的鲁棒收缩感测等等。研究结果揭示了肌节蛋白密度作为心脏收缩潜在因素指标。更广泛地，采用这一新颖的微米或纳米激光器作为无创的、生物集成的光学传感器将为在更宽广的范围且在细胞层面来监测生理指标提供了新的机会。

新生小鼠心肌细胞内微型激光进行细胞内感应 的原理图

图解：植入体内的微型激光发射出蓝光观察到的心脏的肌肉细胞的照片。白色的缎带拱起穿过细胞成为整个系统的一部分，进而使得心脏细胞收缩。通过分析植入体内的微型激光发射光的颜色的分析，使得对这一机构运行的分析以一种前所未有的形式得以呈现，这一结果对将来理解心脏疾病具有十分重要的意义。

这一重大成果听上去就像一个科幻小说中的故事，但是，激光对活的心脏进行有节奏跳动这一景象真实的被圣安德鲁斯大学的研究人员给研究出来了并用来作为理解心脏是否失效和用来帮助发展更为有效的治疗手段。

微型激光用来监测细胞的收缩

作为国际领先的跨领域研究团队，来自圣安德鲁斯大学的研究人员，由物理和天文学学院以及医学院的人员组成，将微型激光器植入个体心脏细胞中，通过分析激光发射出来的光来对心脏肌肉的收缩进行检测。这一重要研究成果发表在近期出版的顶刊《 Nature Photonics》上，并作为激光器发明诞生60周年的重要进展。

为了检查心脏的功能，医生通常需要检查病人的脉搏，测量血压或者进行做心电图测试，从而为心脏的功能和跳动提供足够的信息，但提供的信息当中很少有关于心脏不同部位的信息。

多模感测和体内整合

超声波心动图以及其他更为复杂的测试可以提供更多的关于局部的信息，但更为先进的，尤其是对于探测干细胞或移植组织这一块，需要遵从个体细胞的收缩以形成心脏肌肉。为了实现这一目标，至少在动物常规的模型中能够关于病人的研究心脏状态的关键指标，以此来保证对疾病的深入理解和实现有效的治疗。

在微型激光的作用下所显示的荧光心脏细胞的跳动

实际上，激光技术作为生物影像技术而得到了广泛应用，可以实现对生命体的精细观察，包括心脏细胞的图像显示。但由于激光设备一般比较大而需要持续供给能量，导致该设备仅仅在在心脏外部可以方便 的使用和只能将光照射到生物组织 的表面来进行观察，以上特点极大的限制了更为深入的应用和观察。

在他们最近的一项研究工作中，他们将微型激光设备放置在心脏里面作为显微图像的探测设备。随着心脏的每一次跳动，激光所发射出来的光就会发生细微的变化但却可以据此探测到变化的程度，由此就可以作为破译心脏细胞收缩的代码。

该颜色的变化非常明显并且值得信赖，这是因为这一变化是心脏肌肉细胞中的前一个未被识别的细胞机械作用的结果。

活体心肌切片 和深入组织的收缩感测

同时，激光所提供的数据同心电图所探测到的数据非常类似。但在该项研究当中，这些数据还包括关于单个细胞内部工作的机械信息。这些信息来自细胞组织内部中的更为深入的信息，而不是光学显微镜所探测到的外部信息。

尽管该项研究还处于研发阶段，但目前的研究结果证明激光可以观察人体内部活体组织和整个心脏的快速的动力学过程。将其作为一个常规的检查手段还需要有更多的工作需要开展。但我们可以深信，该激光检测技术将成为检测中的中流砥柱。

激光设备易于制造而且同其他监测设备相比并不贵，尚需要增加额外的设备来分析激光发射出来的光，这些额外的设备也不贵。所以其前景非常广阔。目前该团队正在开展纳秒激光作为光学探测设备来监测心脏的收缩。这一激光设备比先前的小1000倍。同时纳秒激光设备更灵活、多功能和生物相容性好。这些特点使得这一设备为心脏治疗的长期研究和临床治疗铺平了新的道路。

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参考文献：University of St Andrews

文章来源：Marcel Schubert et al. Monitoring contractility in cardiac tissue with cellular resolution using biointegrated microlasers, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-0631-z

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