實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平的空間位置追蹤對(duì)細(xì)胞異質(zhì)性研究至關(guān)重要。

　　最近，以顆粒形式分散在溶液中的微納尺度激光器，在生命科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)作為一種極具潛力的光學(xué)探針出現(xiàn)。

　　藝術(shù)插圖/圖源：課題組

　　相比傳統(tǒng)的發(fā)光探針，例如熒光分子、染料摻雜的微顆粒、金納米顆粒等，激光顆粒具有窄線寬（<0.3 nm）和高亮度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使它們能夠通過(guò)大規(guī)模光譜復(fù)用實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞標(biāo)記、成像和追蹤（圖1），為單細(xì)胞水平的機(jī)理和異質(zhì)性研究（例如體外單細(xì)胞分析、活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)以及單細(xì)胞測(cè)序分析）提供了途徑。

　　圖1 基于激光顆粒的單細(xì)胞追蹤示意圖

　　單細(xì)胞追蹤的基本原理：細(xì)胞內(nèi)部的激光顆粒能發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取具有特定波長(zhǎng)的激光顆粒空間位置能夠?qū)崿F(xiàn)單細(xì)胞軌跡追蹤。

　　然而，激光顆粒具有方向性發(fā)射特征，其激光輸出空間分布由微腔的激射諧振模式?jīng)Q定。例如，微盤(pán)腔激光顆粒主要沿回音壁模式諧振平面向外輻射激光。

　　因此，在細(xì)胞追蹤過(guò)程中，激光顆粒在細(xì)胞內(nèi)的取向會(huì)隨機(jī)變化，激光信號(hào)會(huì)發(fā)生劇烈漲落，導(dǎo)致頻繁的細(xì)胞軌跡丟失，極大地限制了單細(xì)胞標(biāo)記和追蹤應(yīng)用中激光顆粒的實(shí)時(shí)探測(cè)和識(shí)別。

　　近日，來(lái)自美國(guó)哈佛醫(yī)學(xué)院的Seok-Hyun Yun教授研究組和北京大學(xué)肖云峰教授研究組在Light： Science & Applications共同發(fā)表了題為“Laser particles with omnidirectional emission for cell tracking”的文章，提出利用全方位出射的激光顆粒實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞追蹤的新方法。

　　研究人員通過(guò)在半導(dǎo)體微盤(pán)腔上引入邊緣缺陷和納米尺度散射體，實(shí)現(xiàn)了回音壁模式微盤(pán)腔的全方位激光出射。進(jìn)一步地，將激光顆粒轉(zhuǎn)移到活細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞高信噪比連續(xù)追蹤。

　　該研究解決了激光顆粒在單細(xì)胞分析中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)問(wèn)題，為大規(guī)模復(fù)用的單細(xì)胞標(biāo)記、追蹤以及傳感提供了新技術(shù)。

　　針對(duì)激光顆粒在單細(xì)胞分析中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)問(wèn)題，研究人員在回音壁微盤(pán)腔上引入邊緣缺陷或者納米硅顆粒結(jié)合彈性散射實(shí)現(xiàn)了全方位激光出射（圖2）。

　　圖2. 回音壁模式微盤(pán)腔的激光輸出空間分布調(diào)控。激光顆粒泵浦激發(fā)和激光收集示意圖（左）。傳統(tǒng)微盤(pán)腔（CLP）以及全方位出射型微盤(pán)腔（OLP）的激光強(qiáng)度隨微盤(pán)腔取向角的變化。全方位出射型激光顆粒是通過(guò)在微盤(pán)腔表面引入彈性散射（邊緣缺陷或者納米顆粒）實(shí)現(xiàn)。

　　全方位微盤(pán)激光顆粒的激光強(qiáng)度隨取向的變化范圍降低到<6>24 dB。盡管在半導(dǎo)體微盤(pán)腔設(shè)計(jì)中引入較強(qiáng)的彈性散射，全方位微盤(pán)激光顆粒的激光閾值和線寬與傳統(tǒng)型微盤(pán)激光顆?；鞠嗤?，并且均能實(shí)現(xiàn)單模激射。

　　研究人員利用光刻技術(shù)進(jìn)行了全方位半導(dǎo)體激光顆粒的批量制備，并將激光顆粒轉(zhuǎn)移到體外Hela活細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)行單細(xì)胞標(biāo)記及追蹤表征。在2小時(shí)的活細(xì)胞連續(xù)表征結(jié)果表明，隨細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的全方位激光顆粒能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比單細(xì)胞連續(xù)追蹤，而傳統(tǒng)型微盤(pán)腔由于頻繁的激光信號(hào)丟失導(dǎo)致細(xì)胞追蹤失?。▓D3）。

　　圖3. 在細(xì)胞追蹤過(guò)程中激光顆粒的強(qiáng)度信號(hào)變化。對(duì)運(yùn)動(dòng)的Hela活細(xì)胞內(nèi)的傳統(tǒng)型激光顆粒（CLP）和全方位出射型激光顆粒（OLP）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到的微盤(pán)腔顆粒的激光信號(hào)變化。數(shù)據(jù)顯示CLP由于頻繁的激光信號(hào)丟失導(dǎo)致細(xì)胞追蹤失敗，OLP能夠?qū)崿F(xiàn)高信噪比單細(xì)胞連續(xù)追蹤。

　　撰稿 | 唐水晶（哈佛醫(yī)學(xué)院訪問(wèn)學(xué)生及北京大學(xué)博雅博士后）

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