只用石墨烯和光控制心臟，實現不同跳動頻率！

來自專欄 DeepTech深科技

石墨烯和金對我們的健康有重要的作用——因為它們可以幫助我們測試新葯, 更準確地將藥物送到人體需要的部位, 甚至監測並控制癌症的發展。

最近在《 Science Advances》雜誌發表的一項研究成果中, 科學家們想出了如何用光和石墨烯對人類心臟細胞進行實驗，從而在實驗玻璃皿中模擬心臟跳動的環境。目前為止, 所有正在開發中的藥物都需要在心臟細胞上進行實驗測試, 以確保諸如止痛藥導致心臟病發作等事故不會發生。

實驗中，這些心臟細胞會在實驗玻璃皿或塑料實驗皿中培養生長。但是這樣的實驗環境與實際的心臟跳動有一個很大的區別，那就是，玻璃和塑料不導電, 而我們的心臟是導電的, 這就意味著測試並不像研究者想像的那樣真實。

不過有一種材料可以改變這一現狀——石墨烯不僅可以將光轉化為電，而且也沒有毒性。在最新發表的研究中，科學家們已經研製成功了「如何通過改變照射到材料上的光量」來精確控制石墨烯產生的電量的方法。加州大學聖地亞哥分校的物理學家亞歷克斯·薩夫臣柯（Alex Savtchenko）說，在石墨烯上培養心臟細胞的實驗中，他們也已經做到了可以利用光來控制電流，以模擬不同心臟跳動的頻率的環境。他們可以模擬心臟跳動快 1.5 倍，快 3 倍，快 10 倍，或者他們需要的任何頻率的環境。

這意味著科學家們可以使石墨烯模仿類似於各種心臟疾病的電流模式，這使得測試心臟藥物和其他新藥物變得更加容易。未來，薩夫臣柯（Savtchenko）希望這種方法可以用於研製出更好的心臟起搏器。起搏器主要用於控制心臟的跳動，目前通常由電極製成——不過這些電極可能會導致人體內部疤痕的出現。

薩夫臣柯認為，今後我們可以將一塊體積小而壽命長的石墨烯附著在心肌上完成起搏器的功能（石墨烯將由植入在該起搏器附近的微小光源控制，並不會造成疤痕），從而取代電極。如果把視野放的更遠一些，石墨烯甚至可以被用於控制大腦中的電流並治療神經退行性疾病，比如帕金森病。 「雖然人類的心臟非常有彈性，但歸根結底，它仍然只是一個泵」，他說，「利用石墨烯的這一特性，還可以做很多其他事情」。

另一種在醫學領域有著巨大潛力的材料是黃金。金納米粒子對身體安全無危害，並且化學性質穩定。人們可以給這些納米粒子上覆蓋特定的藥物，藉助金納米粒子極小的體積，藥物可以輕鬆地穿過人體組織，直接進入體內需要藥物靶向治療的區域。

總體來講，主要的技術思路就是上面所說的這些。不過，林肯大學的納米技術專家恩里克·法拉利（Enrico Ferrari）表示，在現實中，一旦將金納米粒子注入人體內部時，免疫機制就會被觸發：這些金納米粒子會立即被血液中已經存在的名為血清蛋白的蛋白質覆蓋。血清蛋白之後就會號召人體的整個免疫系統，它們之後便會像打擊所有其他身體入侵者一樣攻擊金納米粒子。根據法拉利的說法，如果免疫系統成功，這種藥物會被降解並最終進入脾臟，而不是我們想讓它去的地方。

為了對應這一現象，法拉利研發了一種新的製造納米粒子的方法，這一結果最近已發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上。他給金納米粒子表面覆蓋添加了一層防止血清蛋白攻擊的蛋白質。

法拉利說，這就好像我們給這些血清蛋白層安裝了一個配適器。配適器的一端可以和金粒子結合得非常好，並且可以阻止血清蛋白覆蓋金粒子激發免疫反應；配適器的另一端被設計成有利於藥物找到治療目標。從理論上講，這種新方法可以對任意類型的藥物或金納米粒子進行試驗，因此法拉利也希望與其他科學家一起合作，將這一研究從實驗室推廣到實際運用中。

昆士蘭大學教授、化學家馬特·特勞（Matt Trau）說，金納米粒子也可用於監測癌症（特勞是這一領域另一項研究的作者，他的研究成果最近也發表在《自然通訊》雜誌上）。癌症腫瘤在血液循環過程中通常會分散釋放出一些微小的細胞。這種細胞被稱為循環腫瘤細胞（CTC），它們彼此之間的差異通常很大，而且還可能會製造更多的腫瘤，因此密切關注這些 CTC 細胞是十分重要的。

雖然通過一些線索可以找到循環腫瘤細胞（CTC）的蛛絲馬跡—— 這些細胞通常具有自己特定類型的蛋白質，但想要捕獲它們是異常艱難的。捕獲它們和成功抓住整個紐約市的10名罪犯一樣艱難，特勞說。而當「罪犯」是癌細胞時，你就更要確保要成功捕捉罪犯，因為如果你失敗了，就會導致做出錯誤的治療決定。

特勞（Trau）和他的團隊設計製作了各種類型的金納米粒子，最終他們做到可以成功跟蹤4種不同類型的循環腫瘤細胞（CTC）中的一種。「你需要準備好所有的粒子，將它們混合在一起，然後將這些粒子投入到血液樣本中。」他說。簡單地講原理就是，這些納米粒子經過重重實驗篩選之後可以尋找並附著到指示某種循環腫瘤細胞（CTC）的特定類型的蛋白質上。之後當照射熒光在這些粒子上時，它們會發出一個獨特的「條形碼」。如果納米粒子發現並附著到特定蛋白質目標上時，條形碼會發生變化，這樣你就可以知道它找到了哪種循環腫瘤細胞（CTC）以及每一種找到了多少個。通過設計不同的粒子可以找到不同的循環腫瘤細胞（CTC）。

為了這項研究，特勞從已故黑色素瘤患者身上採集了血液樣本，並利用這一技術分別對這些治療前、治療期間以及治療後的血液樣本進行了測試。實驗結果顯示，在治療的不同階段血液中都有哪些不同類型的循環腫瘤細胞，免疫系統是如何反應的，以及治療是否有副作用。

現在，他的團隊想要用這種方法來對更多的血液樣本進行實驗，並且跟蹤監測更多類型的循環腫瘤細胞。雖然這次只找到了4種，之後他們將很容易找到更多循環腫瘤細胞。研究者想要實時進行實驗。

特勞表示：「只要我們可以實時觀看熒光的變化，我們就可以根據此對患者做出改變劑量的相應判斷，這些將會讓我們對癌症擁有前所未有的了解。」