科大联合开发机械人纳米探针 为神经退行性疾病及癌症治疗研究开拓新方向

线粒体功能障碍与神经退行性疾病、代谢综合症等多种慢性疾病及癌症息息相关。然而，要在不损害细胞，且毋须使用荧光染剂的情况下，从细胞内精准提取线粒体，一直是科学界面对的重大挑战。

香港科技大学（科大）跨学科学院综合系统与设计学部助理教授顾红日教授带领的团队，与机械工程及生物医药专家合作，成功开发全球首款整合传感器和执行器的细胞作仪器——自动化机械人纳米探针。该款探针能在活细胞中自主导航，整个过程毋须使用荧光染剂，即可精准提取单个线粒体作研究和移植之用，未来有望用于改良慢性疾病及癌症治疗策略。

从看见到感知

线粒体的大小仅比细菌略大，存在于每一个活细胞中，并负责维持生命所需的核心化学反应。传统细胞显微手术在提取线粒体时，需要先注射荧光染剂标记目标，再以强光照射样本并根据发光位置导航，整个过程高度依赖人手作。然而，强光会导致细胞出现「光漂白」现象，照射产生的热效应及光化学反应亦可能对细胞造成损伤，荧光染剂更可能干扰后续分析。因此，研究团队将技术由过往的「看见」线粒体，转变为开发一种能够「感知」线粒体的新方法。

团队研发的玻璃纳米探针，其尖端装有两个纳米电极，能捕捉线粒体代谢的副产物——活性氧和活性氮讯号。结合自动化作平台，探针可在细胞内实时追踪这些信号。一旦信号强度超过特定阈值，探针的微型介电泳「纳米镊子」便会产生非均匀电场，将百纳米范围内的线粒体锁定，使探针在干扰性最低的情况下提取亚微米级的线粒体。 技术的关键在于共定位机制，当探针的传感器在某个位置检测到代谢信号，执行器就能在同一位置提取细胞线粒体。

提高细胞作精度

系统操作流程的精准度同样重要。研究团队将纳米探针整合到机械人操作系统，并记录每个步骤的标准化作，包括靠近目标细胞、检测细胞表面、穿透细胞膜、追踪电化学电流、启动介电泳捕获，以及安全撤出。此流程能有效降低侵入性，并对同一细胞进行多次采样。由于系统具备自动定位能，能提供清晰和标准化作，毋需依赖人手微调即可提升准确度。

确保线粒体功能完好

为验证新技术能否成功提取线粒体，研究团队对提取物进行定量聚合酶链式反应（PCR）分析，确认当中含有线粒体基因组。此外，当线粒体移植回受体细胞后，能顺利融入宿主的线粒体网络并发生分裂，展现健康细胞器的典型行为。换言之，被提取的线粒体不仅能重新回到细胞内，还可继续正常发挥作用。

顾红日教授表示：「新技术让研究人员在毋须使用荧光染剂的情况下，便能直接从单一活细胞中采集线粒体样本，并将所得样本与基因组学和生物医学检测数据进行整合分析。未来，此技术有望为神经退行性疾病、代谢综合症等线粒体功能障碍疾病的微创手术研究提供新思路。系统亦有助实现细胞器移植，促进细胞器层级的疾病治疗发展，亦为人工细胞的构建奠定重要基础。」

面向未来的平台

由于代谢信号和离子信号同样能引导探针定位至其他细胞器，而介电泳捕获机制和机械人操作流程亦可按需要调节或训练，因此技术具备高度普适性，可延伸应用至不同细胞器线粒体的提取。团队下一步将扩展无标记标靶库、提升探针的作效率和整理分析数据，以进一步提高准确度，令单细胞显微手术的作更标准化，并为细胞研究及疾病治疗开拓新的发展方向。

研究成果已发表于国际跨学科期刊《科学进展》，由顾红日教授、南方科技大学机械与能源工程系长聘副教授胡程志教授共同担任通讯作者，并与香港城市大学及中国科学院广州生物医药与健康研究院学者共同完成。