密歇根州立大学 早期的肿瘤(绿色的是肿瘤细胞)，其中有纳米粒子(红色的)，使用微流变学来量化机械性能
第一张图片来自一个活老鼠的视频，插图以更高的分辨率显示了单个肿瘤细胞和纳米粒子
信用:布莱恩·史密斯 密歇根州立大学、约翰霍普金斯大学和斯坦福大学的研究人员合作开发了一种基于纳米粒子的体内成像技术，这种技术有朝一日可能被用来帮助诊断甚至治疗癌症
该技术捕捉活体对象的机械特性，探究物理和活体(活生物体)生物学之间的基本关系
研究结果发表在《今日材料》杂志上
MSU大学生物医学工程副教授布莱恩·史密斯与同事合作开发了这种微小颗粒，一旦进入活细胞，就可以揭示细胞结构的重要信息，包括肿瘤细胞形成肿瘤时的物理变化
“我们首次设计了测量和量化活体动物体内单个活细胞的纳米力学特性的能力，”史密斯说
在今年早些时候的一项研究中，史密斯和他的团队设计了纳米粒子，帮助“吃掉”动脉粥样硬化，动脉粥样硬化是动脉中积聚的斑块，可导致心脏病发作
这些颗粒选择性地进入免疫系统细胞，称为巨噬细胞，释放一种药物，指示细胞吞噬有害的斑块
现在，史密斯和他的同事创造了一种技术，使用不同的纳米粒子，可以嵌入各种细胞类型，包括活体动物的乳腺癌细胞
分析粒子在细胞内的运动可以揭示细胞内部的许多物理性质
史密斯说:“以前没有办法以高空间分辨率检查活体(例如哺乳动物)的机械特性。”
“这种技术有望为疾病诊断和治疗开辟全新的研究途径
" 已知生物组织的机械特性在许多疾病状态中起主要作用，包括心脏病、炎症和癌症，以及正常生理，如细胞迁移和生物体发育
在目前的研究中，史密斯和他的团队首先使用纳米粒子来比较培养细胞(标准二维和三维)和活体动物细胞的机械性能
跟踪纳米粒子的运动揭示了观察细胞的环境极大地影响了它们的机械特性——这可能意味着某些细胞模型可能不是活体动物的有效表征
史密斯说:“这告诉对癌症力学感兴趣的癌症科学家，二维条件可能难以复制，某些三维条件更接近模拟活体小鼠的条件。”
实验的下一部分是观察癌细胞开始形成肿瘤时，其内部结构发生了什么变化
以前的方法无法回答这个问题，因为它们太具侵略性，无法在活体中进行测试
同样，通过观察纳米粒子在细胞内的运动，研究小组测量了细胞的柔顺程度
重要的是，他们发现正常细胞的柔韧性随着时间的推移保持稳定，但是随着癌细胞在一周内形成肿瘤，它们变硬了
“我们发现，当活鼠体内开始形成肿瘤时，单个肿瘤细胞会机械地变硬
史密斯说:“这是一个根本性的发现，最终可能会影响癌症的扩散(转移)和肿瘤的致死率。”
“这一发现是通过整合我们和合作者实验室的先进成像和粒子跟踪技术实现的
" 这项研究在医学上有许多有前途的应用
其中之一就是简单地评估哪些细胞培养方法像活的生物体一样足以提供有意义的信息
另一个是测量生物体内包括器官发育在内的常见生物功能的细胞机械特性
史密斯说，也许最令人兴奋的应用可能是疾病诊断和治疗
纳米粒子可能被用来监测细胞的健康状况和它们在疾病过程中经历的变化类型，甚至可能改变这一过程
史密斯和他的同事计划研究癌症转移的形成和扩散，这种转移导致大约90%的癌症死亡
“我希望有一天我们能够治疗转移的物理学，”他说
“但是，我们必须首先了解其中的机制，以及改变它们是如何影响细胞行为的
我们现在正在调查此事
"
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