在生物和醫學研究中，癌變組織和正常組織樣品不進行特殊處理時，在標準光學顯微鏡下無法直接區分，通常被研究的生物材料需要被染色以揭示其秘密，但這樣可能會改變樣本的特性導致誤診。
最近，澳大利亞拉籌伯大學的Belinda S. Parker副教授和Brian Abbey教授及其團隊開發出一種新的顯微鏡載玻片，避開了這個問題，他們用這種新型載玻片成功區分了正常的上皮組織、癌前組織和乳腺癌組織。這一發明無疑是為醫生提供了一把“照妖鏡”，讓癌變組織無所遁形。
相關研究結果發表在2021年10月7日的Nature期刊上，論文標題為“Colorimetric histology using plasmonically active microscope slides”。
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03835-2
近幾年，拉籌伯大學的Abbey教授和Eugeniu Balaur博士共同開發並研究了這項技術。正如Abbey所說，“現在一般透過對生物組織/細胞的染色標記使其在顯微鏡下可以更好的觀察。然而，如果要在組織中檢測癌細胞，只有染色標記是遠遠不夠的，這也是癌症早期不易發現而被誤診的原因。近幾年奈米生物技術飛速發展，我們可以透過控制生物組織與光的相互作用，把這種相互作用的差異轉變成不同的顏色來區別健康和不健康的組織。奈米載玻片技術讓組織觀察變得想觀看彩色電視一樣，而以前，只能是黑白電視。”
在大自然的漫長的進化過程中，出現了各種色彩的有趣的生物，比如顏色靚麗的蝴蝶、善於偽裝的章魚等等。這是因為它們體壁上有極薄的蠟層、刻點、溝縫或鱗片等細微結構，使光波發生折射、漫反射、衍射或干涉而產生的各種顏色。
典型的自然生物光子奈米結構：(A)芙蓉和鬱金香屬物種中的一維光柵30；(B)昆蟲、鳥類、魚類、植物葉、漿果、藻類等存在的一維週期性多層膜；(C)在蝶和某些閃光的植物葉子；(D)一些夜間昆蟲帶有2D光柵，抗反射和自我清潔；(E)某些海洋生物的彩虹色的毛髮；(F)昆蟲表面的的球體的固體材料產生的彩虹色；(G)逆蛋白石類似的奈米結構生成的蝴蝶的彩虹色。DOI:10.1039/c2cs15267c
以自然為師，透過仿生結構，在實驗中改變微觀結構的週期性的排列距離和偏振角就得到了得到不同的列陣顏色。DOI:10.1038/srep12450
在此基礎上，Abbey教授和他的團隊設計出了一種用於生物組織呈像的奈米載玻片。這種奈米載玻片包括了普通載玻片基底、奈米塗層以及超薄保護層。其中，奈米塗層具有470-550 nm可見光範圍內的列陣結構。超薄保護層是為了保護整個奈米載玻片，以免受到環境的侵襲使其呈像功能更加穩定。當樣本組織放在這種載玻片上時，樣品區域性厚度以及介電常數的改變會導致透射光透過與載玻片微觀孔陣列時的光譜的變化。
簡單來說，樣品可以改變奈米載玻片的微觀結構從而導致透過的光譜的差異。在觀察奈米載玻片上的樣品時就產生了明顯的色差效應，最終使我們觀察到了不同的顏色。
概念設計及基本原理。由於介電常數的突變，樣品表面出現了不連續現象。樹脂覆蓋了影象的底部三分之二，標記為“樣品”，而影象的頂部是裸露的，標記為“空氣”;紅色虛線表示兩者之間的邊界。下面，SPP諧振模式的波長對區域性介電常數非常敏感。
“照妖鏡”有了，那它的效果是否會如研發團隊所願，還要看看實際應用的效果。研發團隊為了能清晰地觀察到乳腺癌發生發展的各個不同階段，它們選擇了一種自發性乳腺癌的動物模型MMTV-PyMT小鼠，這是研究早期乳腺癌中的細胞變化的最佳選擇。正如所願，在實驗中，這種奈米載玻片成功地透過顏色差異對健康組織和非健康組織做出區別，這種區別與傳統染色標記法的結果一致而且更加優秀。
健康（上）和癌變（下）組織的特徵以及不同位置的光譜強度的變化。
透過組織病理學評估的區域繪製成亮度與色調的函式
在應用過程中，研究團隊還發現了一個重要的現象。在同一個體中，健康細胞與癌變細胞的交界並不明顯，存在一個互相重疊的區域。也就是說，同一個體的健康細胞具有癌變的趨勢，最終基本上會發展成侵襲前和侵襲性腫瘤。而這些狀況與對照樣本（正常小鼠）的組織基本不重疊。通俗來說，這種奈米載玻片具有癌症早期的預測診斷能力。
研究者們製作了連續切片並使用細胞角蛋白5/6（CK5/6）和雌激素受體（ER）作為標記物來對比奈米載玻片和傳統染色技術對UDH和DCIS的區分效果。實驗結果顯示，對比UDH，DICS奈米載玻片樣本中的顏色明顯增加，奈米載玻片與CK5/6和ER對組織的呈像變化趨勢的變化是一致的，然而，奈米載玻片樣本中的對比度明顯更強，顏色也更深。這體現了納米載玻片的可靠性和對傳統技術的提升。
奈米玻片和常規染色影象對健康（左）、浸潤性（右）乳腺癌組織的顯像對比。比較不同組織使用四種不同的技術處理對比:奈米玻片、H&E染色、CK 5/6和ER染色（下）。
DCIS病變中奈米玻片染色增加，與CK 5/6和ER表達的變化相一致。
奈米載玻片技術是生物組織呈像的一次技術革新，使醫生和研究者擺脫了不清楚的黑白呈像圖片，擁有了彩色呈像技術且可以更有效地觀察到潛在癌變細胞，這大大提高了早期癌症治療的效率。有朝一日，讓醫生人手一面“照妖鏡”，把潛伏的“妖怪”全都揪出來！就算孫大聖來了，估計也會佩服。這就是科學的力量！
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參考資料：
[1]https://www.nature.com/articles/srep12450
[2]https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/cs/c2cs15267c/unauth
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03835-2
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