只用石墨烯和光控制心脏，实现不同跳动频率！测试药物对心脏影响将变得更容易

石墨烯和金对我们的健康有重要的作用——因为它们可以帮助我们测试新药, 更准确地将药物送到人体需要的部位, 甚至监测并控制癌症的发展。

最近在《 Science Advances》杂志发表的一项研究成果中, 科学家们想出了如何用光和石墨烯对人类心脏细胞进行实验，从而在实验玻璃皿中模拟心脏跳动的环境。目前为止, 所有正在开发中的药物都需要在心脏细胞上进行实验测试, 以确保诸如止痛药导致心脏病发作等事故不会发生。

实验中，这些心脏细胞会在实验玻璃皿或塑料实验皿中培养生长。但是这样的实验环境与实际的心脏跳动有一个很大的区别，那就是，玻璃和塑料不导电, 而我们的心脏是导电的, 这就意味着测试并不像研究者想象的那样真实。

不过有一种材料可以改变这一现状——石墨烯不仅可以将光转化为电，而且也没有毒性。在最新发表的研究中，科学家们已经研制成功了“如何通过改变照射到材料上的光量”来精确控制石墨烯产生的电量的方法。加州大学圣地亚哥分校的物理学家亚历克斯·萨夫臣柯（Alex Savtchenko）说，在石墨烯上培养心脏细胞的实验中，他们也已经做到了可以利用光来控制电流，以模拟不同心脏跳动的频率的环境。他们可以模拟心脏跳动快 1.5 倍，快 3 倍，快 10 倍，或者他们需要的任何频率的环境。

这意味着科学家们可以使石墨烯模仿类似于各种心脏疾病的电流模式，这使得测试心脏药物和其他新药物变得更加容易。未来，萨夫臣柯（Savtchenko）希望这种方法可以用于研制出更好的心脏起搏器。起搏器主要用于控制心脏的跳动，目前通常由电极制成——不过这些电极可能会导致人体内部疤痕的出现。

萨夫臣柯认为，今后我们可以将一块体积小而寿命长的石墨烯附着在心肌上完成起搏器的功能（石墨烯将由植入在该起搏器附近的微小光源控制，并不会造成疤痕），从而取代电极。如果把视野放的更远一些，石墨烯甚至可以被用于控制大脑中的电流并治疗神经退行性疾病，比如帕金森病。 “虽然人类的心脏非常有弹性，但归根结底，它仍然只是一个泵”，他说，“利用石墨烯的这一特性，还可以做很多其他事情”。

另一种在医学领域有着巨大潜力的材料是黄金。金纳米粒子对身体安全无危害，并且化学性质稳定。人们可以给这些纳米粒子上覆盖特定的药物，借助金纳米粒子极小的体积，药物可以轻松地穿过人体组织，直接进入体内需要药物靶向治疗的区域。

总体来讲，主要的技术思路就是上面所说的这些。不过，林肯大学的纳米技术专家恩里克·法拉利（Enrico Ferrari）表示，在现实中，一旦将金纳米粒子注入人体内部时，免疫机制就会被触发：这些金纳米粒子会立即被血液中已经存在的名为血清蛋白的蛋白质覆盖。血清蛋白之后就会号召人体的整个免疫系统，它们之后便会像打击所有其他身体入侵者一样攻击金纳米粒子。根据法拉利的说法，如果免疫系统成功，这种药物会被降解并最终进入脾脏，而不是我们想让它去的地方。

为了对应这一现象，法拉利研发了一种新的制造纳米粒子的方法，这一结果最近已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。他给金纳米粒子表面覆盖添加了一层防止血清蛋白攻击的蛋白质。

法拉利说，这就好像我们给这些血清蛋白层安装了一个配适器。配适器的一端可以和金粒子结合得非常好，并且可以阻止血清蛋白覆盖金粒子激发免疫反应；配适器的另一端被设计成有利于药物找到治疗目标。从理论上讲，这种新方法可以对任意类型的药物或金纳米粒子进行试验，因此法拉利也希望与其他科学家一起合作，将这一研究从实验室推广到实际运用中。

昆士兰大学教授、化学家马特·特劳（Matt Trau）说，金纳米粒子也可用于监测癌症（特劳是这一领域另一项研究的作者，他的研究成果最近也发表在《自然通讯》杂志上）。癌症肿瘤在血液循环过程中通常会分散释放出一些微小的细胞。这种细胞被称为循环肿瘤细胞（CTC），它们彼此之间的差异通常很大，而且还可能会制造更多的肿瘤，因此密切关注这些 CTC 细胞是十分重要的。

虽然通过一些线索可以找到循环肿瘤细胞（CTC）的蛛丝马迹—— 这些细胞通常具有自己特定类型的蛋白质，但想要捕获它们是异常艰难的。捕获它们和成功抓住整个纽约市的10名罪犯一样艰难，特劳说。而当“罪犯”是癌细胞时，你就更要确保要成功捕捉罪犯，因为如果你失败了，就会导致做出错误的治疗决定。

图 | 昆士兰大学教授Matt Trau

特劳（Trau）和他的团队设计制作了各种类型的金纳米粒子，最终他们做到可以成功跟踪4种不同类型的循环肿瘤细胞（CTC）中的一种。“你需要准备好所有的粒子，将它们混合在一起，然后将这些粒子投入到血液样本中。”他说。简单地讲原理就是，这些纳米粒子经过重重实验筛选之后可以寻找并附着到指示某种循环肿瘤细胞（CTC）的特定类型的蛋白质上。之后当照射荧光在这些粒子上时，它们会发出一个独特的“条形码”。如果纳米粒子发现并附着到特定蛋白质目标上时，条形码会发生变化，这样你就可以知道它找到了哪种循环肿瘤细胞（CTC）以及每一种找到了多少个。通过设计不同的粒子可以找到不同的循环肿瘤细胞（CTC）。

为了这项研究，特劳从已故黑色素瘤患者身上采集了血液样本，并利用这一技术分别对这些治疗前、治疗期间以及治疗后的血液样本进行了测试。实验结果显示，在治疗的不同阶段血液中都有哪些不同类型的循环肿瘤细胞，免疫系统是如何反应的，以及治疗是否有副作用。

现在，他的团队想要用这种方法来对更多的血液样本进行实验，并且跟踪监测更多类型的循环肿瘤细胞。虽然这次只找到了4种，之后他们将很容易找到更多循环肿瘤细胞。研究者想要实时进行实验。

特劳表示：“只要我们可以实时观看荧光的变化，我们就可以根据此对患者做出改变剂量的相应判断，这些将会让我们对癌症拥有前所未有的了解。”

-End-