生物医学家们研究的对象,是极为复杂的生物体,尤其是人类。人体是由令人手足无措的细胞混合体、细胞自我复制构成的蛋白质、染色体和其他复杂的生物分子所构成。这些精细而微妙的小东西就是生命的基本单位,在生命过程中每种细胞都完成着特殊的功能。
能在几百万、几千万个细胞混合物中,将细胞按不同的要求一一分类,从中找出几个古怪变异的细胞,或者数一数某种特殊类型细胞的个数,能使这种不亚于大海捞针的工作能自动进行,是生物医学家们梦寐以求的目的。
美国旧金山的利弗莫尔实验室与加州大学医学院的科学家、生理学家、工程师们,发明了一种被称之为“细胞分类的光学机器”的激光电脑计数装置,它能快速、准确地从1千万个正常细胞中,检测出一个癌细胞或其他变异细胞,能通过染色体检测判断胎儿的缺陷,能区分精子的两对性染色体。
该装置由仅1瓦功率的小型氛离子激光器、氦离子激光器,以及双套的线流喷嘴、光学系统和计算机组成。传感器把在激光束中的细胞闪光变成数字信号送入计算机处理。计算机立即把细胞分类,随后向偏转板加适当的电压,使液滴直接落入三个收集器中的一个,该过程的重复频率为每秒钟2000次。
操作的第一步,是用特殊的荧光染料把从病人身上取来的正常细胞的混合物染色。对染料的需求是对细胞核里的脱氧核糖核酸(DNA)有亲和力,还要能以氩离子激光的激发波长相匹配。以区分癌细胞为例:因为通常癌细胞比正常细胞大得多,因此可以吸收更多的染料。染色的细胞悬浮液放入双套喷嘴内层很小的贮液器中,它很像底部很细的一个喝汽水的吸管。喷嘴的外套注入加压的生理盐水,它的作用是带着细胞液,从喷嘴喷出,并把细胞液分散成小的液滴,构成线状喷射流,以便与激光束交叉。当激光照射到吸附染料的细胞时,细胞就会产生荧光的闪光,通过一个聚光光学系统,把探测的荧光信号转换成数字信号送入计算机,进行数据处理。细胞越大,核中的DNA越多,吸附染料越多,荧光信号也越强。这就是鉴别癌细胞和正常细胞的基础。反过来信号强度会给出癌细胞形状和大小的信息。一千万分之一的癌细胞检测率,就是这样实现的。
检测染色体的操作稍微麻烦一点。它要求先把细胞破碎,只留下染色体,抛弃其余部分,其余操作与检测癌细胞一样。不同之处是氩、氪离子激光器需同时工作。两束激光彼此相距很近,一上一下,犹如双筒猎枪发射的两颗子弹,与喷液流交叉。当一个小液滴经过两个光束时,产生两个荧光的闪光。通过一套光学系统在探测器上产生干涉图形,并把信号送入计算机处理。每一种染色体都有不同的干涉图形,计算机能给出高分辨的图型剖面。有缺陷的染色体具有独特的干涉图型,可以从计算机显示屏幕上见到。
这种光学机器新颖的设计思想、简便的操作和细胞分类的高效率,为生物医学研究提供了一种崭新的手段,有力地促进了细胞分类学的发展。