這種細(xì)胞像塵埃一樣無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，怎樣才能為它拍出清晰的照片？

當(dāng)你給一群在空氣中飛舞的塵埃拍照，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們正在一刻不停地隨機(jī)亂竄，剛對(duì)準(zhǔn)焦距，目標(biāo)就跑沒(méi)影了。在顯微鏡下，懸浮細(xì)胞就是這樣一群“調(diào)皮的塵埃”，比如血液里的白細(xì)胞、淋巴細(xì)胞，它們像水中的花粉一樣做著無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)（微小顆粒因周?chē)肿幼矒舳a(chǎn)生的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)），讓科學(xué)家難以看清它們的“真面目”。

懸浮細(xì)胞：顯微鏡下的“漂流者”

懸浮細(xì)胞是指那些不需要附著在物體表面、能在液體中自由漂浮的細(xì)胞。與我們身體里附著在組織上的細(xì)胞不同，它們更像獨(dú)立的“漂流者”，比如血液里負(fù)責(zé)對(duì)抗病菌的白細(xì)胞，每天都隨著血液流動(dòng)穿梭全身。

但這種自由給科學(xué)家的觀察帶來(lái)了大麻煩。它們的運(yùn)動(dòng)來(lái)自分子的隨機(jī)撞擊，也就是布朗運(yùn)動(dòng)——就像你在顯微鏡下看到的花粉顆粒，即使在靜止的水里也會(huì)不停扭動(dòng)、蹦跳。普通顯微鏡雖然能捕捉到它們的身影，但要獲得穩(wěn)定清晰的圖像，難度很大。

過(guò)去，科學(xué)家為了拍清它們的圖像，只能用“強(qiáng)硬手段”：要么用化學(xué)試劑把細(xì)胞“粘”在玻璃片上，要么用離心力把它們沉淀下來(lái)。但這樣做的代價(jià)很大，就像用繩子拴住飛鳥(niǎo)來(lái)觀察它的飛行姿態(tài)——細(xì)胞會(huì)因?yàn)槭芰ψ冃危热缂t細(xì)胞原本的雙凹圓盤(pán)形狀會(huì)被壓成扁平狀，連帶著細(xì)胞膜上的受體活性都會(huì)下降，根本看不出它們?cè)谧匀粻顟B(tài)下的真實(shí)模樣。

掃描電子顯微鏡下的人體紅細(xì)胞

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

光鑷：一束光變成“無(wú)形的手”

有沒(méi)有辦法既能抓住這些“漂流者”，又不傷害它們？科學(xué)家想到了一種神奇的工具——光鑷。

光鑷既不是金屬做的鑷子，也不是我們平時(shí)用的夾子，它是一束高度聚焦的激光。你可能覺(jué)得光只能照亮物體或者帶來(lái)熱量，但在科學(xué)家的操控下，特定形狀的激光束能產(chǎn)生微小的推力，像一只溫柔的“無(wú)形之手”，輕輕夾住微米級(jí)的小物體。

光鑷像一只無(wú)形的手

（圖片來(lái)源：laserfair）

這背后的秘密藏在光的動(dòng)量里。當(dāng)光照射到物體上時(shí)，會(huì)把一部分動(dòng)量傳遞給物體，就像風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)箏。通過(guò)精密設(shè)計(jì)激光束的形狀，科學(xué)家能讓光在物體周?chē)纬梢粋€(gè)“勢(shì)阱”——就像把小球放進(jìn)碗里，小球想滾出去就會(huì)被碗壁推回來(lái)。用這種方式，光鑷能把懸浮細(xì)胞牢牢“困”在原地，既不會(huì)讓它們亂跑，又不會(huì)將其擠壓變形。

給細(xì)胞拍“CT”：結(jié)構(gòu)光的妙用

抓住細(xì)胞只是第一步，要拍出清晰的三維照片，還得解決“光照”的問(wèn)題。

普通光學(xué)顯微鏡就像用手電筒照物體——光線從一個(gè)方向打過(guò)去，細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會(huì)相互遮擋。這相當(dāng)于用手電筒從側(cè)面照人，鼻子會(huì)在臉上投下黑影，看不清細(xì)節(jié)。而科學(xué)家需要的是像醫(yī)院CT那樣的效果，能逐層“切片”、掃描式觀察細(xì)胞內(nèi)部。

結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)（SIM）就是這樣一種“顯微CT”。它不用機(jī)械切割，而是用一組明暗相間的條紋光照射細(xì)胞，就像用光柵投影在物體上。通過(guò)改變條紋的位置，能收集到細(xì)胞不同層面的信息，再通過(guò)計(jì)算機(jī)算法拼出三維圖像。這種方法比普通顯微鏡看得更細(xì)，還能過(guò)濾掉模糊的背景。

但SIM拍照有個(gè)嚴(yán)格的要求：樣品必須保持穩(wěn)定。就像拍身份證照片時(shí)人不能眨眼，否則條紋圖案會(huì)糊掉，重建的圖像就會(huì)失真。這對(duì)本來(lái)就愛(ài)亂動(dòng)的懸浮細(xì)胞來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是“不可能完成的任務(wù)”。

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手：光鑷與SIM的協(xié)同工作

于是，我們團(tuán)隊(duì)（中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所的姚保利和徐孝浩團(tuán)隊(duì)）想到了一個(gè)妙招：把光鑷和SIM這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)明一種光鑷切片顯微術(shù)，首次為光學(xué)切片三維成像提供了全光式解決方案，成功解決了懸浮細(xì)胞的三維成像難題！

這個(gè)想法看似簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻困難重重。傳統(tǒng)光鑷智能作用于一個(gè)點(diǎn)上，提供的約束力有限——細(xì)胞雖然不會(huì)跑遠(yuǎn)，但會(huì)在光鑷?yán)锎蜣D(zhuǎn)、搖晃，還是滿足不了SIM對(duì)穩(wěn)定性的要求。為了攻克這一難題，我們團(tuán)隊(duì)歷時(shí)數(shù)年研究，終于設(shè)計(jì)出一種“瓣?duì)罟忤嚒薄募す鈴?qiáng)度分布像花瓣一樣，能從多個(gè)方向給細(xì)胞施加約束力，把細(xì)胞的平動(dòng)幅度控制在幾十納米（約頭發(fā)絲直徑的千分之一）以內(nèi)，旋轉(zhuǎn)角度不超過(guò)1度。

“瓣?duì)罟忤嚒?/p>

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

解決了“抓穩(wěn)”的問(wèn)題，接下來(lái)就是“合拍”。當(dāng)瓣?duì)罟忤嚴(yán)卫喂潭ㄗ腋〖?xì)胞后，SIM系統(tǒng)會(huì)逐層掃描它們，用結(jié)構(gòu)光對(duì)細(xì)胞進(jìn)行三維成像。整個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞既不會(huì)被化學(xué)試劑傷害，也不會(huì)被機(jī)械力擠壓，更接近自然的懸浮狀態(tài)。

此外，環(huán)境振動(dòng)對(duì)“拍照”過(guò)程有很大影響。哪怕是實(shí)驗(yàn)室外路過(guò)的汽車(chē)振動(dòng)，都可能影響納米級(jí)的測(cè)量精度，因而實(shí)驗(yàn)通常需要在凌晨1點(diǎn)到5點(diǎn)之間進(jìn)行——那時(shí)周?chē)畎察o，連實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)扇都得關(guān)掉。

光鑷切片顯微成像原理示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

看清細(xì)胞的“自然狀態(tài)”

這項(xiàng)技術(shù)拍出的“細(xì)胞寫(xiě)真”有多厲害？對(duì)比傳統(tǒng)方法就能一目了然：用化學(xué)固定法拍攝的細(xì)胞，會(huì)因受力出現(xiàn)形態(tài)變形，難以展現(xiàn)自然狀態(tài)；而借助光鑷切片顯微術(shù)在懸浮狀態(tài)下拍攝的細(xì)胞，能清晰呈現(xiàn)其原本的自然形態(tài)。

不僅如此，這項(xiàng)技術(shù)還能讓科學(xué)家細(xì)致觀察到懸浮細(xì)胞在不同生長(zhǎng)階段的形態(tài)變化，宛如為細(xì)胞拍攝了一部連貫的“成長(zhǎng)紀(jì)錄片”。以酵母細(xì)胞為例，其直徑、橢圓率等參數(shù)都能被精準(zhǔn)捕捉，讓研究者得以深入探尋其生長(zhǎng)規(guī)律。

酵母細(xì)胞幾何結(jié)構(gòu)的三維成像。D為12個(gè)細(xì)胞的殼層與核心直徑統(tǒng)計(jì)；E為所有細(xì)胞的殼層與核心橢圓度統(tǒng)計(jì)。

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

更重要的是，它讓那些原本難以清晰成像的細(xì)胞“現(xiàn)出原形”。比如血液里的白細(xì)胞，過(guò)去要么被固定得“動(dòng)彈不得”，難以展現(xiàn)真實(shí)狀態(tài)；要么在顯微鏡下“一閃而過(guò)”，難以捕捉細(xì)節(jié)。如今，在光鑷?yán)铩肮怨耘浜稀保茖W(xué)家終于可以清晰觀察到它們識(shí)別病菌、釋放抗體的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為相關(guān)研究提供了寶貴的觀察資料。

未來(lái)可期：從實(shí)驗(yàn)室到生活

光鑷切片顯微術(shù)不僅讓我們看到了細(xì)胞的“自然狀態(tài)”，還為生命科學(xué)研究打開(kāi)了新窗口。將來(lái)，它可能在這些領(lǐng)域發(fā)揮作用：

1.更精準(zhǔn)地檢測(cè)癌細(xì)胞：通過(guò)觀察懸浮狀態(tài)下癌細(xì)胞的真實(shí)形態(tài)，提高癌癥早期診斷的準(zhǔn)確率；

2.研究細(xì)胞間“悄悄話”：同時(shí)捕獲多個(gè)細(xì)胞，觀察它們?nèi)绾蝹鬟f信號(hào)、交換物質(zhì)，揭開(kāi)免疫細(xì)胞對(duì)抗腫瘤的秘密；

3.開(kāi)發(fā)更有效的藥物：在自然狀態(tài)下測(cè)試藥物對(duì)懸浮細(xì)胞的影響，讓藥效評(píng)估更準(zhǔn)確。

就像人類(lèi)發(fā)明相機(jī)留住了瞬間，這項(xiàng)技術(shù)讓我們留住了懸浮細(xì)胞最真實(shí)的生命狀態(tài)。或許在不久的將來(lái)，當(dāng)醫(yī)生告訴你“你的血液細(xì)胞很健康”時(shí)，背后就有光鑷切片顯微術(shù)的一份功勞！

參考文獻(xiàn)：

[1]Li, Xing, et al. “Optical tweeze-sectioning microscopy for 3D imaging and manipulation of suspended cells.”Science Advances11.27 (2025): eadx3900.

出品：科普中國(guó)

作者：清晏（中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）

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