張百紅，岳紅云

0 引言

光鑷指用光阱對納米至微米級的粒子進行操縱和捕獲。1987年Ashkin首先發(fā)現和應用光鑷捕捉和操控微粒，從那以后光鑷被廣泛地應用于生物學多個領域：Svoboda等應用光鑷捕獲的微球拖動肌動蛋白以8 nm步伐沿著微管移動，并產生3～4皮牛頓力（picoNewton, pN）的光力；Finer等發(fā)現每個ATP水解產生3～4 pN的光力和11 nm的動力沖程；Smith等應用光鑷研究DNA的彈性和行為；Wang等測量了RNA聚合酶在轉錄期間產生的機械力；2018年Ashkin因發(fā)現并在生物系統中應用光鑷而獲諾貝爾物理學獎[1-6]。光鑷可以在納米空間、皮牛頓力和毫秒時間研究從單細胞到單分子的生物過程?，F在已經應用到細胞、亞細胞和分子范圍研究，也成為腫瘤研究的重要工具[7]。光鑷用光操控物體，其作用機制見圖1[8]。本文系統綜述光鑷在腫瘤研究中的作用。

圖1 光鑷的作用機制[8]Figure 1 Mechanism of action of optical tweezers[8]

1 鑒別腫瘤細胞

細胞的機械特性影響細胞運動等細胞功能和過程，也是鑒別腫瘤細胞和正常細胞的主要標志。光鑷可以測量細胞的硬度、彈性、粘度、流動性和細胞變形，從而無侵入、快速地識別腫瘤細胞。

1.1 細胞硬度

細胞硬度的精準測量有助于理解細胞的機械生物學，后者直接調控細胞增殖、黏附、遷移和移動等重要的細胞過程，細胞硬度也提供了腫瘤轉移和分化的關鍵信息。Wang等[9]應用多孔磁鑷操控和測量單細胞的亞細胞結構。三維磁場操控納米磁珠進入腫瘤細胞，高通量共聚焦成像系統測量腫瘤細胞核的硬度。研究顯示細胞核長軸較短軸的硬度增高，這種硬度極性可能調節(jié)肌動蛋白絲的分布，也影響核纖層蛋白和肌動蛋白的壓力反應。Varol等[10]應用聲鑷聯合全息圖像直接測量結腸癌細胞和循環(huán)腫瘤細胞的硬度圖譜，發(fā)現結腸癌細胞較循環(huán)腫瘤細胞的硬度增加，硬度值波動在1.79～2.26 kPa之間。

1.2 細胞彈性

細胞彈性是多個細胞功能的基礎。Sirotin等[11]報告了一種新的單細胞光鑷彈性成像方法測量腫瘤細胞彈性，這種方法應用光鑷對細胞膜產生機械刺激聯合相位敏感光學相干顯微鏡觀察細胞機械反應，從而可檢測細胞0.5 μm～10 nm范圍的移動并記錄光鑷刺激細胞膜產生的機械波。全息圖光鑷可測量DNA彈性和驅動蛋白推力[12]。

1.3 細胞粘度

粘度是非均衡系統的一個重要特征，非侵入的粘度測量需要數秒時間。Terrasson等[13]應用光鑷捕捉微粒的瞬時速度測量粘度，其速度精準至20微秒，而粘度測量也從靜態(tài)平均轉向動態(tài)跟蹤。為了獲取瞬時速度，研究者構建了結構光檢測系統實時追蹤微粒。光鑷技術能夠鑒別正常B細胞和非何杰金淋巴瘤B細胞，其機制是它們黏附到間充質干細胞的時間差異[14]。

1.4 膜流動性和張力

細胞膜的流動性聯系著腫瘤的侵襲、轉移。為了測試腫瘤細胞膜流動和侵襲的相關性，Li等[15]首先證實轉染小RNA miR-92b-3p能夠顯著增加小細胞肺癌細胞株SHP77的侵襲性，然后應用光鑷測量膜流動性。應用連續(xù)和逐步延伸方法測量SHP77細胞轉染miR-92b-3p前后的膜流動性變化，通過松弛曲線構建物理模型推斷細胞膜的靜張力和粘度。結果顯示，轉染miR-92b-3p的腫瘤細胞膜流動性和侵襲性顯著增加。細胞力學變化直接影響細胞變形和腫瘤細胞播散。Tsujita等[16]應用光鑷、基因干預和機械擾動等方法研究顯示，上皮細胞維持較高的質膜張力可能潛在地抑制腫瘤細胞遷移和播散，其機制是抑制膜彎曲敏感蛋白BAR。

1.5 細胞變形

細胞變形是腫瘤細胞侵襲的特征之一，傳統檢測方法通過給細胞壓力觀察細胞直徑、面積和厚度變化，細胞物理變化的人工測量缺乏敏感性和客觀性，加之細胞形態(tài)的非均質性，細胞變形和物理變化并非線性相關，這些導致細胞變形的測量有許多不確定性。Lee等[17]應用聲鑷聯合機器學習自動測量不同壓力下細胞面積變化的比率并分析比率變化和細胞變形的相關性，這種方法可以精準地鑒別侵襲性和非侵襲性乳腺癌細胞。

2 操控腫瘤細胞

2.1 細胞捕獲

光鑷是捕捉和操控活細胞的有力工具。Zhao等[18]構建的攜帶光柵的光鑷能夠捕捉和操控擁擠微環(huán)境中的單細胞。應用這種雙捕捉光鑷成功地操控淋巴結中的淋巴細胞和血管中的單個血細胞，這有助于研究自然殺傷細胞對腫瘤細胞的免疫攻擊。但是強烈的光熱和嚴格的溶液環(huán)境限制了其在生物領域的應用。低溫光熱泳鑷采用環(huán)境冷卻策略增強低溫下光熱泳的捕獲能力并減少對靶標的熱損傷，它可以在自然基質中低光力捕獲各種膠體和細胞[19]。光片為基礎的光鑷較傳統的點捕捉光鑷有更高的光力和捕捉硬度，它能夠同時捕捉多個活細胞[20]。光誘導的電熱微流體鑷能夠操控等滲液中胰腺癌細胞[21]。

2.2 細胞轉運

光片為基礎的光鑷除了捕獲細胞外，還能夠在橫切面上轉運和旋轉細胞[20]。基于光電鑷的微型機器人較傳統的光鑷更加輕柔地轉運細胞，用于單細胞分離、克隆擴增和操控細胞[22]。

2.3 細胞分類

Xu等[23]建立的光鑷輔助的靜態(tài)池成像分類系統可以精準快速地分離、培養(yǎng)和測序人體腫瘤細胞。在微流控芯片中構建穩(wěn)定的靜態(tài)流場，靶細胞被限制在流場內進行平面明場、熒光成像或拉曼掃描，然后1 064 nm光鑷捕捉并用單細胞納升微粒包裹后分類。該系統的單細胞分類準確率＞99.7%，每分鐘可分選10～20個細胞，并高度保持了細胞活性，因此可能被廣泛用于腫瘤細胞的分類。

各類光鑷可以操控腫瘤細胞，多功能聲鑷也能無接觸精準操控細胞，包括細胞排列、細胞刺激和細胞裂解[24]。

3 分析單分子

光鑷技術對腫瘤學產生了深遠的影響。普通的光鑷可能導致細胞或分子損傷，低溫光鑷通過固態(tài)光冷卻和熱移產生溫度場捕捉微粒和分子，同時也避免了聚焦激光束產生的光熱損傷[25]。高分辨率光鑷和等離子鑷為光控和分析單分子帶來了新可能[26-27]。

3.1 測量DNA

納米光鑷由兩個間隔10～20 nm的微電極組成，它能夠在單分子水平提取活細胞樣本分析DNA和蛋白質[28]。Shrestha等[29]應用DNA納米開關卡鉗構成的光鑷測量DNA和蛋白質，其精度可達到埃米級。通過測量DNA標記殘基，研究者繪制了自然和合成多肽的單分子指紋圖譜，顯示了不同異質群中不同轉錄后修飾的蛋白質組學差異。DNA鑷甚至可以直接制造DNA[30]。

3.2 可視染色體

人類細胞中的核DNA在準備細胞分裂時呈現X型的染色體，這種變形主要由凝縮蛋白和拓撲異構酶Iiα驅動。Meijering等[31]基于光鑷測量和可視分裂中期染色體的力學和結構，發(fā)現在不斷增加的光力下，染色體表現出不同于經典聚合物預測模型的非線性硬度特征，拓撲異構酶Iiα在維持染色體壓縮方面發(fā)揮重要作用。

3.3 傳輸囊泡

胞外囊泡（extracellular vesicles, EVs）能夠用于多種疾病的診斷、監(jiān)控和治療[32]。常規(guī)的光鑷并不能捕捉和操控這些納米尺度的EVs，幾何誘導的電流體鑷可以產生多個電流體電位，在幾秒內實現EVs的平行傳輸和捕捉。通過在每個電流體阱的中心形成等離子腔，單個EVs被放置在等離子腔周圍，從而實現遠距離等離子增強的光捕獲，但不會產生有害的熱損傷效應[33]。光鑷可以裝配和重構囊泡，這個重新編輯的囊泡具備新的功能[34]。

光鑷已經成為操控單分子的主要方法，也是研究蛋白質-核酸相互作用、蛋白質-RNA折疊和分子馬達的重要工具[35]。

4 輔助腫瘤治療

熱電納米光鑷通過加熱等離子基質使激光點內離子空間分離產生光熱電場，聯合暗場光學成像能夠選擇性捕捉納米顆粒和原位觀察光譜反應，這也為單細胞尺度研發(fā)抗腫瘤新藥提供了新的工具[36]。

4.1 篩選靶向藥物

蛋白激酶的突變常常聯系著腫瘤的發(fā)生，也是腫瘤治療的重要靶標。但是，一些突變可能導致靶向藥物抵抗，而這些耐藥突變常常定位在靶向藥物作用位點以外，提示可能存在變構效應。Hao等[37]應用單分子光鑷選擇性地操控蛋白質特定區(qū)域，從而追蹤變構信號和檢測變構圖譜。單分子光鑷方法不僅可以操控蛋白激酶A的調節(jié)亞單位，也能夠穩(wěn)定地研究其他激酶，這為篩選潛在的腫瘤變構藥物開創(chuàng)了新方法。有絲分裂驅動蛋白Eg5是一個重要的腫瘤治療靶標，但Eg5小分子抑制劑的臨床試驗卻沒有進展，因為另一種內源性驅動蛋白KIF15促進有絲分裂并導致Eg5抑制劑抵抗。Milic等[38]應用小分子光捕捉技術研究KIF15的機械化學特性以及運動性，發(fā)現KIF15的運動性與Eg5完全不同，篩選KIF15運動性的潛在抑制劑KIF15-IN-1，并證實KIF15-IN-1聯合Eg5抑制劑可以明顯抑制腫瘤細胞的生長。

4.2 設計端粒酶抑制劑

高通量光鑷可以觀察端粒酶合成端粒的過程和捕捉端粒酶合成的DNA，這為設計端粒酶抑制劑提供了更加精細的方法。端粒酶維持腫瘤細胞的增殖，為了補充細胞分裂導致的端粒DNA丟失，端粒酶持續(xù)催化合成染色體末端的GGTTAG重復序列，Patrick等[39]將端粒酶和其底物DNA分別連接在聚苯乙烯微球上，隨著端粒酶和底物相互作用新合成的DNA增加，兩個微球之間的距離伸長，光鑷能夠捕獲微球的位置計算伸長的距離并轉換為核苷酸數量。

4.3 控制免疫治療

T淋巴細胞通過αβ T細胞受體識別抗原肽。與傳統的受體-配體作用不同，機械力在非均衡機械敏感的T細胞激活中發(fā)揮重要作用。細胞移動和細胞骨架產生的機械力作用于T細胞受體-主要組織相容性抗原，這個T細胞激活過程能夠通過光鑷顯示和測量。因此，光鑷能夠控制和設計細胞毒性T淋巴細胞為基礎的免疫治療[40]。Du?-Szachniewicz等[41]應用光鑷構建瓊脂糖水凝膠和淋巴瘤細胞構成的淋巴瘤體，這個淋巴瘤體具有三維機構，它能夠精準地評估抗腫瘤藥物阿霉素、伊布替尼和普樂沙福對淋巴瘤細胞的影響。

5 未來方向

光鑷因其無毒性和低損傷等特性而用于腫瘤研究。光鑷正在改變著腫瘤研究和治療，其功能從鑒別和操控腫瘤細胞、分析單分子到輔助腫瘤治療，未來甚至可以用光鑷直接捕捉和清除腫瘤細胞，或精準剪切和編輯腫瘤基因，或靶向設計和構建免疫細胞。然而，光鑷輔助腫瘤治療目前尚無臨床前應用，多在實驗研究階段。與光鑷作用機制相似的聲鑷、磁鑷、靜電鑷、微流控光鑷和全息光鑷也逐漸進入腫瘤研究的視野。為了促進光鑷的臨床應用，安全性和毒性的準確評估是必需的。光鑷和基因編輯、活細胞成像技術的聯合將提供更加精細的腫瘤細胞和分子的信息，也將篩選更多地腫瘤標志物和治療靶標。

利益沖突聲明：

所有作者均聲明不存在利益沖突。