Multi-day single-cell magnetic imaging of living cancer cells using Quantum Cell Monitoring
本文介绍了量子细胞监测（QCM），这是一种宽场氮-空位磁力显微成像平台，通过追踪活体癌细胞的磁特征，实现了长达数日的亚细胞分辨率成像，从而克服了传统光学显微镜固有的深度限制和光损伤问题。
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长期以来，观察活细胞在数天内的移动与分裂一直是科学界的挑战，这主要是因为用于观察它们的工具依赖于光。传统的显微镜利用强光照射细胞使其发光，但这种光会破坏研究人员试图观察的生物学特性，导致细胞行为异常或死亡。此外，光在穿过厚组织时会发生散射，使得无法清晰地观察组织深处。几十年来，科学家们被迫在“短时间内看清细胞”或“长时间观察但看不清”之间做出选择。然而，一种全新的方法已经出现，它完全绕过了光，利用无形的磁场在不造成任何伤害的情况下追踪单个细胞长达三天。
这一突破来自于一组研发出名为“量子细胞监测”（Quantum Cell Monitoring）系统的研究团队。该系统不再使用光来捕捉图像，而是使用一种对微弱磁场极其敏感的特殊钻石传感器。为了让细胞对该传感器可见，研究人员将微小的磁性颗粒附着在活体癌细胞表面。这些颗粒就像微小的指南针。当研究人员施加一个温和的磁场时，这些“指南针”会发生对齐，并为每个细胞产生独特的微弱磁特征。位于细胞下方的钻石传感器能以极高的精度探测到这些特征，从而绘制出单个细胞的位置和形状，即使该细胞身处拥挤的细胞群中也毫不逊色。
研究人员在人类结直肠癌细胞上测试了这种方法。他们用磁性颗粒标记了这些细胞，并将它们放置在钻石传感器内的一个定制培养箱中。这个培养箱至关重要，它通过维持完美的温度和营养供应来确保细胞存活并保持健康，同时显微镜也在工作。在72小时的时间里，系统每八小时对磁场进行一次快照采集。由于磁性颗粒不会因光照而褪色或受损，细胞在整个过程中始终可以被追踪。结果显示，该系统能够追踪单个细胞的移动、分裂和形态变化。它成功捕捉到了单个细胞分裂（即有丝分裂）的瞬间，甚至能在传统光学显微镜无法分辨单个细胞的密集集群中，持续追踪细胞。
最重要的发现之一是该系统“穿透人群”的能力。在密集的细胞群中，光学显微镜往往会失去对比度，导致无法分辨一个细胞在哪里结束，另一个细胞从哪里开始。然而，这种磁性方法在这些密集集群中依然能分辨出单个细胞。研究人员可以通过磁场的变化模式，观察到细胞的分裂、聚合以及形态的变化。他们还观察到细胞拉伸并延伸出细小的指状突起，这是癌细胞的典型行为。通过分析磁信号如何变化，团队不仅可以确定细胞的位置，还能确定每个细胞携带了多少磁性物质，这与细胞的大小以及附着的颗粒数量有关。
这项工作证明，在不产生光损伤或组织散射模糊效应的情况下，监测活细胞数日是完全可能的。研究人员表明，通过改变信息的传递方式——从光转变为静态磁场——他们可以观察到以前被隐藏的生物过程。该系统足够强大，可以在模拟生物生存的环境条件下，追踪细胞的生命周期，包括其生长和分裂。虽然目前的研究侧重于单层细胞，但其原理表明，这种方法最终可以用于观察更深的组织，从而为研究癌症如何扩散或细胞如何在复杂的3D结构中相互作用提供一种新途径，打破长期以来限制光学成像的技术瓶颈。
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