Only Perception: 奈米伏特計能測量細胞內部電場

2007-12-01

奈米伏特計能測量細胞內部電場

Nano-sized voltmeter measures electric fields deep within cells
http://www.physorg.com/news115650653.html

November 30, 2007

一種無線的、奈米尺度的伏特計（voltmeter，電壓計）由密西根大學所開發，正在推翻關於細胞內部物理環境的傳統智慧。它或許有天能協助研究者對付「為何癌細胞會失控生長」、「受損神經如何被修復」這類難纏的問題。

U-M 較受 Raoul Kopelman 將在週六 ASCB 於華盛頓特區所舉辦的年會中，一場特殊會議，Creating Next Generation Nano Tools for Cell Biology（為細胞生物學創造次世代奈米工具），上討論該裝置。

"這種研究領域背後的基本構想是，藉由監控細胞內部的物理特性，來跟隨細胞的過程（cellular processes）-- 不管正常與否。發生在細胞內的化學作用，有很長一段研究歷史，不過我們現在對於測量物理特性感到興趣，因為物理與化學過程都是相關的，" Kopelman 說，他是化學、物理與應用物理 Richard Smalley 卓越大學教授。

這種球形裝置，其直徑有 30 奈米，比現有的伏特計要小上 1000 倍，Kopelman 說。它是個光子儀器，這表示它使用光而非電子裝置所使用的電子，來做這件事。

Kopelman 先前的博士後職員 Katherine Tyner，現在任職於 FDA，利用奈米伏特計來測量細胞深處的電場 -- 這種功績在此之前是不可能的。科學家已測量過細胞膜上的電場，不過還沒有測量過內部，Kopelman 說。

利用這種新方法，研究者不只能插入一個伏特計，他們還能夠一次部署幾千個伏特計，遍及整個細胞。每個單元都是單一一個奈米粒子，那包含了伏特敏感染料（voltage-sensitive dyes）。當以藍光刺激時，染料會發射紅與綠光，而且紅光與綠光的比率與關注區域內的電場強度相符。

Tyner 的測量顯示細胞溶質（cytosol，如垃圾般的物質，那造就大部分的細胞內部）出現驚人的高電場。

"標準的典範是細胞溶質內沒有電場，" Kopelman 說，"不過我們所測量的 13 個區域都有高電場強度 -- 多達 1500 萬 volts per meter。" 對照下，一般家中的電場強度只有 5-10 volts per meter；直接站在輸電線纜下是 1 萬 volts per meter。Kopelman、Tyner 與共同作者 Martin Philbert，環境健康科學教授與 U-M 公衛學院研究副院長，將其奈米伏特計與「典範破壞」的報告發表在八月號的 Biophysical Journal 上。

這些發現讓研究者納悶，為何電場會出現在細胞內？

"我不知道答案，" Kopelman 說。"我料想這項發現會讓許多人研究好一段時間。" 不過這種測量細胞內部電場的能力應能幫上忙。

目前已知與細胞膜相關的電場改變，在阿茲海默症這類疾病上能扮演一種角色，研究者已在探索利用外部施加的電場來刺激傷口癒合與神經生長、再生。

至於 U-M 研究者，Philbert，神經毒物學家，正在探索暴露在神經毒物下，細胞內部電場的改變，而 Kopelman，他正與 Philbert 還有 U-M 醫學院的研究者合作癌症偵測與治療的新方法，則對於癌症細胞與非癌細胞電場差異的比較感到興趣。不過它們亦開啟了另一種研究途徑，Kopelman 說。

"One reason for going to the ASCB meeting is to confer with colleagues and strategize about where to go next."

※ 生物是另一種電子裝置？

＊ "Nanosized Voltmeter" Enables Cellular-Wide Electric Field Mapping
http://www.biophysj.org/cgi/content/abstract/93/4/1163