最近，加州理工学院的科学家开发出一种新技术，使用充满气体的微泡，聚集组织内的光线，有望为医生提供一种微创的方式，用激光摧毁肿瘤，并提高医学影像的诊断水平。
聚焦体内光线的主要挑战在于，生物组织是光学不透明的。与透明玻璃不同的是，构成组织的这些细胞和蛋白质可散播和吸收光。
本文通讯作者、加州理工学院电气工程、生物工程和医学工程教授杨长辉（Changhuei Yang）指出：“就光线而言，我们的组织表现得很像浓雾。正如我们不能聚焦汽车的前照灯穿过浓雾一样，科学家们一直很难聚焦光线通过组织。”
为了避免这个问题，杨教授和他的研究团队转向了微泡（microbubbles）——常用于医学，增强超声成像的对比度。
充满气体的微泡，被封装在薄的蛋白质壳中，并具有一种声学的折射率——这种属性影响着声波如何传播通过介质——不同于活组织。因此，它们对声波的反应不同。杨长辉实验室的博士后阮浩文（音译，Haowen Ruan）指出：“你可以用超声波，使微泡迅速的扩张与收缩，这种振动有助于将它们与周围的组织区分开来，因为它们能比生物组织更有效地反射声波。”
此外，微气泡的光折射率与生物组织的不同。光的折射率是光线从一种介质（例如，液体）过渡到另一种介质（例如，气体）时弯曲多少的一个衡量。
杨教授、阮博士和研究生Mooseok Jang开发了一种新技术，叫做TRUME，利用微泡和组织的声学和光学折射率之间的不匹配，来聚集体内的光线。首先，用超声波使注入组织的微泡破裂。
通过在这个事件之前和之后测量光传导的差异，加州理工学院的研究人员可以修改一束激光的波前，因此可以专注于微泡的原始位置。杨教授解释道：“结果就好像，你在黑暗中寻找某个人，突然有人放出一道闪光。一个短暂的瞬间，人被照亮，你就可以定位他们的位置。”
这项新的研究，于2015年11月24日发表在《Nature Communications》杂志上，该研究小组表明，他们的TRUME技术可以作为一个有效的“导引星”，将激光束聚集在生物组织中的特定位置。一个单一的、瞄得准的微泡，足以成功地聚集激光；多个弹出的气泡位于目标附近，作为光线的导航地图。
杨教授说：“每一个弹出事件都作为一个路线图，让扭转的光线轨线通过组织。我们可以使用该路线图来形成光，它将以这样的方式，聚集在气泡破裂的地方。”
如果TRUME被证明可在活组织中起有效作用——例如，没有任何来自破裂微泡的负面影响，它就可以促成一系列研究和医学应用。例如，通过将微气泡与抗体探针结合，设计出与癌症相关的生物标志物，医生就可以靶定、然后摧毁身体深处的肿瘤，或尽早检测出恶性肿瘤。
杨教授说：“超声波和X射线技术，只能在癌症形成团块后检测到它们。但是，用光学聚焦，你就可以在癌细胞经历生化变化、但还没有改变形态之前捕捉它们。”
该技术可能取代其他的诊断筛查方法。例如，它可以用来测量一种叫做胆红素的蛋白质在婴儿体内的浓度，以确定其对黄疸的风险。Ruan说：“目前，这一检测程序需要抽血，但是用TRUME，我们可以用一束光照到婴儿体内，并寻找胆红素分子的独特吸收特征。”
结合现有的技术，让科学家利用光激活实验室动物的单个神经元，TRUME可以帮助神经系统科学家更好地了解大脑是如何工作的。杨教授说：“目前，神经系统科学家局限于大脑的浅层。但我们的光学聚焦方法，可让我们用一种微创的方法，来探测大脑的深层区域。”
注：杨长辉（男，1965年9月——），1997年入读美国麻省理工学院学习物理，后担任加州理工学院电子工程与生物工程师。2008年入选美国《探索》杂志评选出的美国20位40岁以下最聪明科学家，2010年获美国国家卫生研究院（NIH）创新奖。
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