科大聯合開發機械人納米探針 為神經退行性疾病及癌症治療研究開拓新方向

線粒體功能障礙與神經退行性疾病、代謝綜合症等多種慢性疾病及癌症息息相關。然而，要在不損害細胞，且毋須使用螢光染劑的情況下，從細胞內精準提取線粒體，一直是科學界面對的重大挑戰。

香港科技大學（科大）跨學科學院綜合系統與設計學部助理教授顧紅日教授帶領的團隊，與機械工程及生物醫藥專家合作，成功開發全球首款整合傳感器和執行器的細胞操作儀器——自動化機械人納米探針。該款探針能在活細胞中自主導航，整個過程毋須使用螢光染劑，即可精準提取單個線粒體作研究和移植之用，未來有望用於改良慢性疾病及癌症治療策略。

從看見到感知

線粒體的大小僅比細菌略大，存在於每一個活細胞中，並負責維持生命所需的核心化學反應。傳統細胞顯微手術在提取線粒體時，需要先注射螢光染劑標記目標，再以強光照射樣本並根據發光位置導航，整個過程高度依賴人手操作。然而，強光會導致細胞出現「光漂白」現象，照射產生的熱效應及光化學反應亦可能對細胞造成損傷，螢光染劑更可能干擾後續分析。因此，研究團隊將技術由過往的「看見」線粒體，轉變為開發一種能夠「感知」線粒體的新方法。

團隊研發的玻璃納米探針，其尖端裝有兩個納米電極，能捕捉線粒體代謝的副產物——活性氧和活性氮訊號。結合自動化操作平台，探針可在細胞內即時追蹤這些訊號。一旦訊號強度超過特定閾值，探針的微型介電泳「納米鑷子」便會產生非均勻電場，將百納米範圍內的線粒體鎖定，使探針在干擾性最低的情況下提取亞微米級的線粒體。技術的關鍵在於「共定位」機制，當探針的感測器在某個位置檢測到代謝訊號，執行器就能在同一位置提取細胞線粒體。

提高細胞操作精確度

系統操作流程的精準度同樣重要。研究團隊將納米探針整合到機械人操作系統，並記錄每個步驟的標準化操作，包括靠近目標細胞、檢測細胞表面、穿透細胞膜、追蹤電化學電流、啟動介電泳捕獲，以及安全撤出。此流程能有效降低侵入性，並對同一細胞進行多次採樣。由於系統具備自動定位能，能提供清晰和標準化操作，毋需依賴人手微調即可提升準確度。

確保線粒體功能完好

為驗證新技術能否成功提取線粒體，研究團隊對提取物進行定量聚合酶鏈式反應（PCR）分析，確認當中含有線粒體基因組。此外，當線粒體移植回受體細胞後，能順利融入宿主的線粒體網絡並發生分裂，展現健康細胞器的典型行為。換言之，被提取的線粒體不僅能重新回到細胞內，還可繼續正常發揮作用。

顧紅日教授表示：「新技術讓研究人員在毋須使用螢光染劑的情況下，便能直接從單一活細胞中採集線粒體樣本，並將所得樣本與基因組學和生物醫學檢測數據進行整合分析。未來，此技術有望為神經退行性疾病、代謝綜合症等線粒體功能障礙疾病的微創手術研究提供新思路。系統亦有助實現細胞器移植，促進細胞器層級的疾病治療發展，亦為人工細胞的構建奠定重要基礎。」

面向未來的平台

由於代謝訊號和離子訊號同樣能引導探針定位至其他細胞器，而介電泳捕獲機制和機械人操作流程亦可按需要調節或訓練，因此技術具備高度普適性，可延伸應用至不同細胞器線粒體的提取。團隊下一步將擴展無標記標靶庫、提升探針的操作效率和整理分析數據，以進一步提高準確度，令單細胞顯微手術的操作更標準化，並為細胞研究及疾病治療開拓新的發展方向。

研究成果已發表於國際跨學科期刊《科學進展》，由顧紅日教授、南方科技大學機械與能源工程系長聘副教授胡程志教授共同擔任通訊作者，並與香港城市大學及中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院學者共同完成。