MIT研究團(tuán)隊(duì)的研究成果大大簡(jiǎn)化了定向藥物治療等相關(guān)領(lǐng)域的分析過程。

近日，MIT郭氏實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在美國科學(xué)院院刊上發(fā)文表示，已分析出關(guān)于細(xì)胞器在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)移動(dòng)時(shí)所需的阻力大小，并繪制了不同細(xì)胞器在不同濃度細(xì)胞質(zhì)環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的相位圖。

自然科學(xué)與工程

19世紀(jì)，面對(duì)變幻莫測(cè)的電磁場(chǎng)現(xiàn)象，麥克斯韋用一組方程組簡(jiǎn)潔明了的描述了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電荷密度與電流密度之間的關(guān)系，也恰恰是從這組簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式開始，發(fā)展出了現(xiàn)如今蓬勃的電子科技技術(shù)。顯然，這一自然現(xiàn)象的數(shù)學(xué)性描述揭示了現(xiàn)象的本質(zhì)、促進(jìn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的工程應(yīng)用與發(fā)展。

對(duì)于“工程”這一概念，MIT的一位教授曾這樣定義：對(duì)科學(xué)的有目的地使用，也就是讓科學(xué)從高大上變得接地氣，但是要想做到這一步，就需要對(duì)現(xiàn)實(shí)世界建模，試圖用確定性關(guān)系去描述自然科學(xué)現(xiàn)象中的變化。

而這里，MIT的郭明教授率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)所做的工作與麥克斯韋方程組有著異曲同工之妙。

從機(jī)械工程師的角度看生物細(xì)胞

細(xì)胞質(zhì)(cytoplasm)是細(xì)胞質(zhì)膜包圍的除核區(qū)外的一切半透明、膠狀、顆粒狀物質(zhì)的總稱，含水量約為80%。它是由細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)、內(nèi)膜系統(tǒng)、細(xì)胞骨架和包含物組成，是生命活動(dòng)的主要場(chǎng)所。

其中，細(xì)胞器就是分布于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)、具有一定形態(tài)、在細(xì)胞生理活動(dòng)中起重要作用的結(jié)構(gòu)，它包括線粒體、葉綠體、質(zhì)體，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等。

而機(jī)械工程師郭明看重的是這些大小不同的細(xì)胞器在細(xì)胞質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)。郭明表示，在細(xì)胞質(zhì)中，細(xì)胞器本身大小的不同導(dǎo)致其行進(jìn)方式非常不同，如，細(xì)胞的細(xì)胞核在細(xì)胞質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)感覺是在類似“蜂蜜”的液體中運(yùn)動(dòng)，而線粒體在細(xì)胞質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)則像是在“牙膏”中運(yùn)動(dòng)。

故而，不同大小的細(xì)胞器（物體）在細(xì)胞質(zhì)（環(huán)境）中受到的阻力是不同的。

對(duì)此，郭明進(jìn)一步表示：“我們現(xiàn)在做的工作主要就是從細(xì)胞器運(yùn)動(dòng)的角度，提供一種對(duì)活體細(xì)胞的描述方式，有了我們這個(gè)相位圖，只要你告訴我細(xì)胞器的大小和移動(dòng)速度，我就可以告訴你從細(xì)胞器的角度來看，它當(dāng)時(shí)所處的環(huán)境是怎樣的。”

生物細(xì)胞的機(jī)械建模研究

目前，研究細(xì)胞內(nèi)材料運(yùn)輸?shù)拇蠖鄶?shù)科學(xué)家將關(guān)注點(diǎn)主要都放在了細(xì)胞器運(yùn)輸?shù)尿?qū)動(dòng)因素上，雖然他們也主動(dòng)將細(xì)胞的能量分析轉(zhuǎn)化為機(jī)械工作，但郭明表示：“作為機(jī)械工程師，驅(qū)動(dòng)力不是運(yùn)輸過程中的唯一因素，環(huán)境中的阻力也同樣重要。就像現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，在考慮機(jī)械運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力時(shí)，我們也考慮阻力。”

在實(shí)驗(yàn)前，郭明首先假設(shè)細(xì)胞質(zhì)對(duì)主要細(xì)胞器如線粒體等具有相似的阻力作用。為了檢驗(yàn)假設(shè)的正確性，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)哺乳動(dòng)物的活細(xì)胞進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

首先，他們注入了大小為0.5到1.5微米的微小塑料珠，包裹了大多數(shù)主要的細(xì)胞器。然后，他們使用光學(xué)鑷子和高度聚焦的激光束物理移動(dòng)微觀物體的技術(shù)，拖動(dòng)每個(gè)珠子穿越細(xì)胞。其中，研究人員以恒定的速度將每個(gè)珠子向細(xì)胞邊緣拉動(dòng)，并測(cè)量出將珠子拖動(dòng)一定距離所需的力。

此處，他們將這里需要的力定義為細(xì)胞質(zhì)給予的機(jī)械阻力。

關(guān)于力產(chǎn)生的原因，他們推斷主要來自兩個(gè)方面：多孔彈性和粘彈性。

多孔彈性取決于細(xì)胞質(zhì)多快能將水從一個(gè)區(qū)域擴(kuò)散出來。該團(tuán)隊(duì)的研究人員表示，之所以認(rèn)為存在彈性細(xì)胞質(zhì)，是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)細(xì)胞器需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間來將水?dāng)U散出，而細(xì)胞質(zhì)的特性符合對(duì)該特性的定義。

粘彈性，是描述細(xì)胞骨架（又稱蛋白質(zhì)網(wǎng)）的變化速度。細(xì)胞的細(xì)胞骨架作為一種支架，由數(shù)千種蛋白質(zhì)組成，它們持續(xù)地組裝、拆卸和重新組裝。這種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以像彈性固體和粘性流體一樣被移動(dòng)的細(xì)胞器感受到。其中，細(xì)胞骨架自身重組速度越快，流體越流暢。據(jù)此研究人員猜測(cè)，細(xì)胞器在通過更流暢的、頻繁變化的細(xì)胞骨架時(shí)，會(huì)感覺到較少的阻力。

郭明及其研究團(tuán)隊(duì)分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞器（即實(shí)驗(yàn)中微小塑料珠）的大小和速度與遇到的阻力類型有關(guān)。

一般情況下，由于多孔彈性的性質(zhì)，所以塑料珠越多，阻力越大；但還需考慮，當(dāng)一顆珠子的速度越快，受到的阻力也會(huì)越大，對(duì)此，郭明解釋道：“移動(dòng)得越快，在細(xì)胞器看來，細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的重組速度就越慢，故而所受的阻力就越大。”

據(jù)此，研究人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了相位圖。

總結(jié)

關(guān)于研究成果的應(yīng)用，它能直接將藥物治療轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算和圖形參考。醫(yī)藥科學(xué)家可以直接參考此圖，計(jì)算出定制藥物的大小，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的定向治療。

未來，麻省理工學(xué)院生物工程、電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械工程教授Alan Grodzinsky，以及加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的Somaye Jafari和Shengqiang Cai將加入研究工作。

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