近幾年,拉籌伯大學(xué)的Abbey教授和Eugeniu Balaur博士共同開發(fā)并研究了這項技術(shù)。正如Abbey所說,“現(xiàn)在一般通過對生物組織/細(xì)胞的染色標(biāo)記使其在顯微鏡下可以更好的觀察。然而,如果要在組織中檢測癌細(xì)胞,只有染色標(biāo)記是遠遠不夠的,這也是癌癥早期不易發(fā)現(xiàn)而被誤診的原因。近幾年納米生物技術(shù)飛速發(fā)展,我們可以通過控制生物組織與光的相互作用,把這種相互作用的差異轉(zhuǎn)變成不同的顏色來區(qū)別健康和不健康的組織。納米載玻片技術(shù)讓組織觀察變得想觀看彩色電視一樣,而以前,只能是黑白電視?!?/span>
在大自然的漫長的進化過程中,出現(xiàn)了各種色彩的有趣的生物,比如顏色靚麗的蝴蝶、善于偽裝的章魚等等。這是因為它們體壁上有極薄的蠟層、刻點、溝縫或鱗片等細(xì)微結(jié)構(gòu),使光波發(fā)生折射、漫反射、衍射或干涉而產(chǎn)生的各種顏色。
典型的自然生物光子納米結(jié)構(gòu):(A)芙蓉和郁金香屬物種中的一維光柵30;(B)昆蟲、鳥類、魚類、植物葉、漿果、藻類等存在的一維周期性多層膜;(C)在蝶和某些閃光的植物葉子;(D)一些夜間昆蟲帶有2D光柵,抗反射和自我清潔;(E)某些海洋生物的彩虹色的毛發(fā);(F)昆蟲表面的的球體的固體材料產(chǎn)生的彩虹色;(G)逆蛋白石類似的納米結(jié)構(gòu)生成的蝴蝶的彩虹色。DOI:10.1039/c2cs15267c
(圖注:以自然為師,通過仿生結(jié)構(gòu),在實驗中改變微觀結(jié)構(gòu)的周期性的排列距離和偏振角就得到了得到不同的列陣顏色。DOI:10.1038/srep12450)
在此基礎(chǔ)上,Abbey教授和他的團隊設(shè)計出了一種用于生物組織呈像的納米載玻片。這種納米載玻片包括了普通載玻片基底、納米涂層以及超薄保護層。其中,納米涂層具有470-550 nm可見光范圍內(nèi)的列陣結(jié)構(gòu)。超薄保護層是為了保護整個納米載玻片,以免受到環(huán)境的侵襲使其呈像功能更加穩(wěn)定。當(dāng)樣本組織放在這種載玻片上時,樣品局部厚度以及介電常數(shù)的改變會導(dǎo)致透射光通過與載玻片微觀孔陣列時的光譜的變化。
簡單來說,樣品可以改變納米載玻片的微觀結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致透過的光譜的差異。在觀察納米載玻片上的樣品時就產(chǎn)生了明顯的色差效應(yīng),使我們觀察到了不同的顏色。
(圖注:概念設(shè)計及基本原理。由于介電常數(shù)的突變,樣品表面出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象。樹脂覆蓋了圖像的底部三分之二,標(biāo)記為“樣品”,而圖像的頂部是裸露的,標(biāo)記為“空氣”;紅色虛線表示兩者之間的邊界。下面,SPP諧振模式的波長對局部介電常數(shù)非常敏感。)
“照妖鏡”有了,那它的效果是否會如研發(fā)團隊所愿,還要看看實際應(yīng)用的效果。研發(fā)團隊為了能清晰地觀察到乳腺癌發(fā)生發(fā)展的各個不同階段,它們選擇了一種自發(fā)性乳腺癌的動物模型MMTV-PyMT小鼠,這是研究早期乳腺癌中的細(xì)胞變化的較好選擇。正如所愿,在實驗中,這種納米載玻片成功地通過顏色差異對健康組織和非健康組織做出區(qū)別,這種區(qū)別與傳統(tǒng)染色標(biāo)記法的結(jié)果一致而且更加優(yōu)秀。
(圖注:健康(上)和癌變(下)組織的特征以及不同位置的光譜強度的變化。)
(圖注:通過組織病理學(xué)評估的區(qū)域繪制成亮度與色調(diào)的函數(shù))
在應(yīng)用過程中,研究團隊還發(fā)現(xiàn)了一個重要的現(xiàn)象。在同一個體中,健康細(xì)胞與癌變細(xì)胞的交界并不明顯,存在一個互相重疊的區(qū)域。也就是說,同一個體的健康細(xì)胞具有癌變的趨勢,基本上會發(fā)展成侵襲前和侵襲性腫瘤。而這些狀況與對照樣本(正常小鼠)的組織基本不重疊。通俗來說,這種納米載玻片具有癌癥早期的預(yù)測診斷能力。
研究者們制作了連續(xù)切片并使用細(xì)胞角蛋白5/6(CK5/6)和雌激素受體(ER)作為標(biāo)記物來對比納米載玻片和傳統(tǒng)染色技術(shù)對UDH和DCIS的區(qū)分效果。實驗結(jié)果顯示,對比UDH,DICS納米載玻片樣本中的顏色明顯增加,納米載玻片與CK5/6和ER對組織的呈像變化趨勢的變化是一致的,然而,納米載玻片樣本中的對比度明顯更強,顏色也更深。這體現(xiàn)了納米載玻片的可靠性和對傳統(tǒng)技術(shù)的提升。
(圖注:納米玻片和常規(guī)染色圖像對健康(左)、浸潤性(右)乳腺癌組織的顯像對比。比較不同組織使用四種不同的技術(shù)處理對比:納米玻片、H&E染色、CK 5/6和ER染色(下)。)
(圖注:DCIS病變中納米玻片染色增加,與CK 5/6和ER表達的變化相一致。)
納米載玻片技術(shù)是生物組織呈像的一次技術(shù)革新,使醫(yī)生和研究者擺脫了不清楚的黑白呈像圖片,擁有了彩色呈像技術(shù)且可以更有效地觀察到潛在癌變細(xì)胞,這大大提高了早期癌癥治療的效率。有朝一日,讓醫(yī)生人手一面“照妖鏡”,把潛伏的“妖怪”全都揪出來!就算孫大圣來了,估計也會佩服。這就是科學(xué)的力量!