加州理工学院激光声成像技术迎来重大飞跃 实现三维成像并减少所需传感器

加州理工学院激光声成像技术迎来重大飞跃实现三维成像并减少所需传感器加州理工学院最近的研究对一种名为PATER的光声成像技术进行了重大改进，该技术现已发展为PACTER。新版本简化了技术，减少了对多个传感器的需求，实现了三维成像，并且无需在每次使用前进行校准。这些进步使该技术在医学成像应用中更加实用和高效。资料来源：加州理工学院加州理工学院医学工程和电子工程布伦教授王力宏实验室的最新研究就属于后者。在发表于《自然-生物医学工程》（NatureBiomedicalEngineering）杂志上的一篇论文中，王力宏和博士后学者张一德展示了他们如何简化和改进他们于2020年首次公布的一种成像技术。这项技术是一种名为PATER（通过极性中继的光声地形图）的光声成像技术，是王建民研究小组的专长。光声成像技术的改进在光声成像中，激光脉冲进入组织，被组织的分子吸收，引起分子振动。每个振动的分子都是超声波的来源，可用于以类似超声波成像的方式对内部结构进行成像。然而，光声成像在技术上具有挑战性，因为它能在短时间内产生所有成像信息。为了捕捉这些信息，王的光声成像技术的早期版本需要将数百个传感器（换能器）组成的阵列紧贴被成像组织的表面，这使得该技术既复杂又昂贵。王和张通过使用一种称为"麦积继电器"的装置减少了所需传感器的数量，这种装置可以减慢信息（以振动的形式）流入传感器的速度。正如之前有关PATER的报道所解释的那样：在计算中，有两种主要的数据传输方法：串行和并行。在串行传输中，数据以单一数据流通过一个通信通道发送。在并行传输中，多个数据通过多个通信通道同时发送。这两种通信方式大致类似于商店中使用收银机的方式。串行通信就像一台收银机。每个人都排在同一条队伍中，看到同一个收银员。并行通信就好比有几个收银机，每个收银机有一条线。Wang设计的拥有512个传感器的系统与拥有许多收银机的商店类似。所有传感器同时工作，每个传感器接收激光脉冲产生的超声波振动的部分数据。由于系统发出的超声波振动是在短时间内产生的，因此如果要在这么短的时间内收集所有数据，单个传感器将不堪重负。这就是麦哲伦继电器的用武之地。正如王力宏所描述的那样，遍历中继器是一种可以让声音在周围回荡的腔体。当超声波振动通过遍历中继器时，它们会在时间上被拉长。回到收银机的比喻，这就好比让另一名员工协助单个收银员，告诉顾客在店里走几圈，直到收银员准备好接待他们，这样收银员就不会手忙脚乱了。PACTER：下一步发展这项技术的最新版本被称为PACTER（PhotoacousticComputedTomographyThroughanErgodicRelay），它更进一步，允许系统使用单个传感器进行操作，通过使用软件，可以收集到与6,400个传感器一样多的数据。兼任安德鲁和佩吉-钱格（AndrewandPeggyCherng）医学工程领导力主席和医学工程执行官的王说，PACTER在另外两个方面改进了PATER。改进之一是PACTER可以生成三维图像，而PATER只能生成二维图像。这得益于改进软件的开发。"过渡到三维成像大大提高了数据要求。我们面临的挑战是如何通过单个传感器传输大量增加的数据，"张说。"我们通过改变方法找到了解决方案。我们首先将一个传感器扩展为数千个虚拟传感器，而不是直接采用计算密集型方法从单传感器数据中重建三维图像。这一想法简化了三维图像重建的过程，使其与我们光声成像的传统方法更加接近"。其次，与PATER不同，PACTER无需在每次使用时进行校准。"使用PATER时，我们必须在每次使用时对其进行校准，而这是不现实的。我们摆脱了这种每次使用时的一次性校准，"王说。之所以需要校准，是因为当系统向组织发射激光脉冲时，脉冲的"回波"会反弹到换能器上，使其无法感知直接的超声波信息。PACTER通过在系统中加入延迟线来解决这个问题。延迟线迫使回波在返回换能器的途中经过更长的物理路径，这样它就能在接收到直接超声波信息后到达换能器。描述这项工作的论文"利用单元素探测器进行单次容积光声断层扫描的血流动力学超快纵向成像"发表在11月30日出版的《自然-生物医学工程》（NatureBiomedicalEngineering）杂志上。该论文的共同作者包括：胡鹏（23年博士），前医学工程研究生；李磊（19年博士），前医学工程博士后；曹睿，医学工程博士后；AnjulKhadria，前医学工程博士后；KonstantinMaslov，前加州理工学院职员科学家；童欣，医学工程研究生；以及南加州大学的曾玉顺、蒋来明和周其发。研究经费由美国国立卫生研究院提供。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404763.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404763.htm

麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法

麻省理工学院革新细胞成像技术：观察活细胞内部活动的新方法活细胞会受到多种分子信号的轰击，这些信号会影响细胞的行为。如果能够测量这些信号以及细胞如何通过下游分子信号网络对这些信号做出反应，就能帮助科学家更多地了解细胞是如何工作的，包括当细胞衰老或患病时会发生什么。目前，这种全面的研究还不可能实现，因为目前的细胞成像技术仅限于同时对细胞内的少数不同分子类型进行成像。然而，麻省理工学院的研究人员开发出了一种替代方法，可以一次观察多达七种不同的分子，甚至有可能观察到比这更多的分子。分子成像技术的突破"在生物学中，有许多例子表明，一个事件会引发一长串下游事件，进而导致特定的细胞功能，"谭以骅神经技术教授爱德华-博伊登（EdwardBoyden）说。"这是如何发生的？这可以说是生物学的基本问题之一，因此我们想知道，能不能简单地观察它的发生？"新方法利用了以不同速率闪烁的绿色或红色荧光分子。通过对细胞进行数秒、数分钟或数小时的成像，然后利用计算算法提取每个荧光信号，就能跟踪每个目标蛋白质随时间变化的数量。利用四种可切换荧光团，麻省理工学院的研究人员能够标记并成像这些细胞内的四种不同激酶（前四行）。下一行中，细胞核被标记为蓝色。图片来源：研究人员提供博伊登是这项研究的资深作者，他也是麻省理工学院生物工程教授、脑与认知科学教授、霍华德-休斯医学研究所研究员、麻省理工学院麦戈文脑研究所和科赫综合癌症研究所成员，以及杨丽莎仿生学中心（K.LisaYangCenterforBionics）的联合主任。麻省理工学院博士后钱勇是论文的第一作者。荧光信号的进步用荧光蛋白标记细胞内的分子使研究人员能够大量了解许多细胞分子的功能。这类研究通常使用绿色荧光蛋白（GFP），该蛋白在20世纪90年代首次用于成像。从那时起，又开发了几种能发出其他颜色光的荧光蛋白用于实验。然而，典型的光学显微镜只能分辨出其中的两三种颜色，研究人员只能窥见细胞内发生的整体活动。如果能追踪更多的标记分子，研究人员就能测量脑细胞在学习过程中对不同神经递质的反应，或者研究促使癌细胞转移的信号。"理想情况下可以实时观察细胞内的信号波动，然后了解它们之间的关系。这将告诉我们细胞是如何计算的，"博伊登说。"问题是，无法同时观察很多东西。"2020年，博伊登的实验室开发出一种方法，通过将发光报告器瞄准细胞内的不同位置，同时对细胞内的多达五种不同分子进行成像。这种方法被称为"空间多路复用"，它能让研究人员分辨出不同分子的信号，即使它们发出的荧光颜色相同。在这项新研究中，研究人员采用了一种不同的方法：他们没有根据信号的物理位置来区分信号，而是创建了随时间变化的荧光信号。这种技术依赖于"可切换荧光团"--能以特定速率开启和关闭的荧光蛋白。在这项研究中，博伊登和他的研究小组成员确定了四种绿色可切换荧光团，然后又设计了另外两种，它们都以不同的速率开启和关闭。他们还确定了两种以不同速率开关的红色荧光蛋白，并设计了另外一种红色荧光团。每种可切换的荧光团都可以用来标记活细胞内不同类型的分子，如酶、信号蛋白或细胞骨架的一部分。在对细胞进行数分钟、数小时甚至数天的成像后，研究人员使用一种计算算法，从每种荧光团中挑选出特定信号，这类似于人耳挑选出不同频率的声音。"在交响乐团中，有长笛等高音乐器，也有大号等低音乐器。中间是小号等乐器。"博伊登说："它们都有不同的声音，而我们的耳朵会把它们分拣出来。"研究人员用来分析荧光团信号的数学技术被称为线性非混合法。这种方法可以提取不同的荧光团信号，类似于人耳使用一种称为傅立叶变换的数学模型来提取乐曲中的不同音高。分析完成后，研究人员就能看到在整个成像过程中，细胞中每个荧光标记分子出现的时间和位置。成像本身只需一台简单的光学显微镜即可完成，无需专业设备。探索生物现象在这项研究中，研究人员通过标记哺乳动物细胞中参与细胞分裂周期的六种不同分子，展示了他们的方法。这样，他们就能确定细胞周期中依赖细胞周期蛋白的激酶的水平是如何变化的。研究人员还发现，他们还能标记其他类型的激酶，这些激酶几乎涉及细胞信号传导的方方面面，还能标记细胞结构和细胞器，如细胞骨架和线粒体。除了使用在实验室培养皿中生长的哺乳动物细胞进行实验外，研究人员还证明这种技术可以在斑马鱼幼体的大脑中发挥作用。研究人员表示，这种方法有助于观察细胞如何对营养物质、免疫系统因子、激素或神经递质等任何输入做出反应。它还可以用来研究细胞如何对基因表达的变化或基因突变做出反应。所有这些因素都在生长、衰老、癌症、神经变性和记忆形成等生物现象中发挥着重要作用。博伊登说："我们可以认为所有这些现象都代表了一类普遍的生物问题，即某些短期事件--如摄入某种营养物质、学习某些知识或受到感染--会产生长期变化。"除了进行这些类型的研究，博伊登的实验室还在努力扩大可切换荧光团的范围，以便研究细胞内的更多信号。他们还希望调整该系统，使其能用于小鼠模型。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1401541.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1401541.htm

麻省理工学院的自供氧植入物有望掀起糖尿病治疗的革命

麻省理工学院的自供氧植入物有望掀起糖尿病治疗的革命治疗1型糖尿病的一种很有前景的方法是植入能在需要时产生胰岛素的胰岛细胞，这样患者就不用频繁注射胰岛素了。然而，这种方法的一个主要障碍是，一旦植入细胞，它们最终会因缺氧而停止产生胰岛素。为了克服这一障碍，麻省理工学院的工程师们设计出了一种新型植入式装置，这种装置不仅携带了数十万个可产生胰岛素的胰岛细胞，而且还拥有自己的板载氧气工厂，可通过分裂人体内的水而产生氧气。研究人员的研究结果表明，将这种装置植入糖尿病小鼠体内，可使小鼠的血糖水平保持稳定至少一个月。研究人员现在希望能制造出更大版本的装置，大小与口香糖差不多，最终能在1型糖尿病患者身上进行测试。麻省理工学院的工程师们设计了一种植入式设备，它能携带数十万个胰岛细胞，并自带氧气工厂，以保持细胞健康。图片来源：FeliceFrankel研究团队的见解"你可以把它想象成一个由分泌胰岛素的人体细胞和电子生命支持系统组成的活体医疗设备。"麻省理工学院化学工程系教授、麻省理工学院科赫癌症综合研究所（KochInstituteforIntegrativeCancerResearch）和医学工程与科学研究所（IMES）成员、本研究的资深作者丹尼尔-安德森（DanielAnderson）说："我们对目前取得的进展感到兴奋，我们对这项技术最终能帮助病人感到非常乐观。"虽然研究人员的主要研究方向是糖尿病治疗，但他们表示，这种设备也可以用于治疗其他需要反复输送治疗蛋白的疾病。麻省理工学院研究科学家西达斯-克里希南（SiddharthKrishnan）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《美国国家科学院院刊》上。研究团队还包括麻省理工学院的其他几位研究人员，其中包括麻省理工学院大卫-科赫研究所教授、科赫研究所成员罗伯特-兰格（RobertLanger），以及波士顿儿童医院的研究人员。图为该装置浸没在水中，产生氧气（下）和氢气（上）气泡，无需任何电池或电线。图片来源：麻省理工学院/波士顿儿童医院ClaudiaLiu和SiddharthKrishnan博士提供当前糖尿病治疗面临的挑战大多数1型糖尿病患者必须仔细监测血糖水平，每天至少注射一次胰岛素。然而，这一过程并不能复制人体控制血糖水平的自然能力。安德森说："绝大多数胰岛素依赖型糖尿病患者都在为自己注射胰岛素，并尽了最大努力，但他们的血糖水平并不健康。如果你看看他们的血糖水平，即使是那些非常尽心尽力、小心谨慎的人，他们的血糖水平也无法与活体胰腺相比"。更好的替代方法是移植细胞，只要检测到病人的血糖水平激增，这些细胞就会产生胰岛素。一些糖尿病患者已经接受了从人类尸体上移植的胰岛细胞，从而实现了对糖尿病的长期控制；不过，这些患者必须服用免疫抑制药物，以防止身体对植入的细胞产生排斥反应。最近，研究人员利用从干细胞中提取的胰岛细胞也取得了类似的成功，但接受这些细胞的病人也需要服用免疫抑制剂。这张照片显示的是完全组装好的设备的阴极面，并用一枚美国25美分硬币表示比例。图片来源：麻省理工学院/波士顿儿童医院ClaudiaLiu和SiddharthKrishnan博士提供应对氧气供应挑战另一种可以避免使用免疫抑制剂的方法是将移植细胞封装在一个柔性装置中，以保护细胞不受免疫系统的影响。然而，为这些封装细胞找到可靠的氧气供应已被证明具有挑战性。一些实验性装置，包括一种已在临床试验中进行测试的装置，具有一个可以为细胞供氧的氧舱，但这个氧舱需要定期重新装载。其他研究人员开发出的植入物包括能产生氧气的化学试剂，但这些试剂最终也会耗尽。麻省理工学院的研究小组采用了另一种方法，即通过分裂水来无限生成氧气。这种方法是通过装置内的质子交换膜来实现的，质子交换膜是一种最初用于在燃料电池中产生氢气的技术。这层膜可以将水蒸气（人体内含量丰富）分成氢气和氧气，氢气会无害扩散，而氧气则会进入一个储存室，通过一层薄薄的透氧膜供给胰岛细胞。这种方法的一大优势是不需要任何电线或电池。分离这种水蒸气需要很小的电压（约2伏），这种电压是利用一种称为共振感应耦合的现象产生的。位于体外的调谐磁性线圈将电力传输到设备内的小型柔性天线，从而实现无线电力传输。它需要一个外部线圈，研究人员预计可以将其作为贴片佩戴在病人皮肤上。有希望的实验结果在制造出与美国25美分硬币差不多大小的设备后，研究人员在糖尿病小鼠身上进行了测试。一组小鼠接受了带有氧气生成和水分离膜的装置，另一组小鼠则接受了含有胰岛细胞的装置，但没有补充氧气。这些装置被植入具有完全功能性免疫系统的小鼠皮下。研究人员发现，植入制氧装置的小鼠能够维持正常的血糖水平，与健康动物相当。然而，接受非供氧装置的小鼠在大约两周内就出现了高血糖（血糖升高）。通常情况下，任何一种医疗设备植入人体后，免疫系统的攻击都会导致疤痕组织的堆积，这种疤痕组织被称为纤维化，会降低设备的有效性。这项研究中使用的植入物周围确实形成了这种疤痕组织，但该装置成功地控制了血糖水平，这表明胰岛素仍能从装置中扩散出来，葡萄糖也能进入装置。这种方法也可用于输送产生其他类型治疗蛋白的细胞，这些蛋白需要长期给药。在这项研究中，研究人员发现，这种装置还能让产生促红细胞生成素的细胞保持活力，促红细胞生成素是一种能刺激红细胞生成的蛋白质。未来展望安德森说："我们乐观地认为，有可能制造出能够驻留在体内并根据需要生产药物的活体医疗设备。有多种疾病的患者需要外源性服用蛋白质，有时甚至需要频繁服用。如果我们能用一种能长期发挥作用的植入物取代每隔一周输液一次的需要，我认为这确实能帮助很多病人。"研究人员现在计划调整该装置，以便在大型动物身上进行测试，最终在人类身上进行测试。为了供人类使用，他们希望开发出一种与口香糖大小差不多的植入物。他们还计划测试该装置是否能在体内保留更长的时间。克里希南说："我们使用的材料本身就很稳定，寿命也很长，所以我认为这种长期运作是有可能的，这也是我们正在努力的方向。"兰格补充说："我们对这些发现感到非常兴奋，我们相信这些发现有朝一日会为治疗糖尿病和其他疾病提供一种全新的方法。"这项研究得到了JDRF、LeonaM.andHarryB.Helmsley慈善信托基金和美国国立卫生研究院国家生物医学成像和生物工程研究所的资助。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1388913.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1388913.htm

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况

麻省理工学院的可穿戴超声波贴纸可监测深层内脏器官的健康状况麻省理工学院机械工程系教授XuanheZhao说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声波贴纸。"图片来源：研究人员提供在最近发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上的一项开放存取研究中，研究小组报告说，传感器可以将声波穿过皮肤传入人体，声波在人体内部器官上反射后再传回贴纸。反射波的模式可被解读为器官僵硬度的特征，贴纸可对其进行测量和跟踪。器官监测的进展"当一些器官发生疾病时，它们会随着时间的推移而变得僵硬，"论文的资深作者、麻省理工学院机械工程系教授赵宣和说。"有了这种可穿戴贴纸，我们就可以长时间持续监测硬度的变化，这对于早期诊断内脏器官衰竭至关重要。"研究小组证明，这种粘贴传感器可以在48小时内持续监测器官的硬度，并检测出可能预示疾病进展的微妙变化。在初步实验中，研究人员发现这种粘性传感器可以检测到大鼠急性肝功能衰竭的早期迹象。佩戴在皮肤上的小型超声波贴纸可以监测身体深处器官的硬度。麻省理工学院开发的这种传感器可以检测肝脏和肾脏衰竭等疾病的迹象以及实体瘤的进展情况。图片来源：研究人员提供工程师们正在努力将这种设计应用于人体。他们设想，这种贴纸可以用于重症监护室（ICU），在那里，低调的传感器可以持续监测器官移植后正在康复的病人。"我们设想，就在肝脏或肾脏移植手术之后，我们可以把这种贴纸贴在病人身上，观察器官的硬度在几天内的变化情况，"领衔作者刘孝全说。"如果有任何急性肝衰竭的早期诊断，医生就可以立即采取行动，而不是等到病情变得严重时才采取行动。"研究进行时，刘晓川是麻省理工学院的访问科学家，目前是南加州大学的助理教授。该研究的麻省理工学院合著者包括陈晓宇（XiaoyuChen）和王崇和（ChongheWang），以及USC南加州大学的合作者。超声弹性成像及其局限性就像我们的肌肉一样，随着年龄的增长，体内的组织和器官也会变得僵硬。在某些疾病的影响下，器官僵化会变得更加明显，预示着健康状况可能会急剧下降。目前，临床医生有办法利用超声弹性成像技术来测量肾脏和肝脏等器官的僵硬程度，这种技术类似于超声波成像，技术人员在皮肤上操作一个手持探头或探棒。探头通过身体发出声波，导致内部器官轻微振动并发出声波。探头会感应到器官感应到的振动，而振动的模式可以转化为器官的晃动或僵硬程度。超声弹性成像技术通常用于重症监护病房，以监测近期接受器官移植的病人。技术人员会在手术后不久定期检查病人，快速探查新器官，寻找僵化迹象和潜在的急性衰竭或排斥反应。图片来源：研究人员提供另一位资深作者、南加州大学教授周其发（QifaZhou）说："器官移植后，重症监护室的前72小时最为关键。传统的超声波检查需要将探头对准身体。但你无法长期持续这样做。医生可能会错过关键时刻，意识到器官衰竭时为时已晚。"研究小组意识到，他们或许能提供一种更连续、可穿戴的替代方案。他们的解决方案扩展了他们之前开发的超声波贴纸，用于对深层组织和器官进行成像。赵解释说："我们的成像贴只能捕捉纵波，而这次我们想捕捉剪切波，它能告诉你器官的刚性。"现有的超声弹性成像探头可测量剪切波或器官对声波脉冲的振动。剪切波在器官中传播的速度越快，说明器官越坚硬。(想想水球和足球的反弹力）。超声波技术的创新研究小组希望将超声弹性成像技术微型化，使其适合贴在邮票大小的贴纸上。他们还希望保持与商用手持探头相同的灵敏度，手持探头通常包含约128个压电换能器，每个换能器都能将传入的电场转化为传出的声波。周说："我们利用先进的制造技术，从高质量压电材料中切割出小型传感器，从而设计出微型化的超声贴纸。"研究人员精确地制造了128个微型传感器，并将其集成到一个25毫米见方的芯片上。他们在芯片的底部衬上了一种由水凝胶制成的粘合剂--一种由水和聚合物混合而成的具有粘性和伸缩性的材料，它能让声波几乎无损耗地进出设备。在初步实验中，研究小组在老鼠身上测试了硬度感应贴纸。他们发现，贴纸能够在48小时内连续测量肝脏硬度。从贴纸收集到的数据中，研究人员观察到了急性肝衰竭的明显早期迹象，随后他们通过组织样本证实了这一点。一旦肝脏衰竭，器官的硬度将增加数倍。赵补充说："健康的肝脏就像煮熟的鸡蛋一样摇摇晃晃，而患病的肝脏则更像煮熟的鸡蛋。而这种贴纸可以捕捉到身体深处的这些差异，并在器官衰竭发生时发出警报。"研究小组正与临床医生合作，将这种贴纸应用于重症监护室的器官移植康复病人。在这种情况下，他们预计贴纸目前的设计不会有太大变化，因为它可以贴在病人的皮肤上，它发出和接收的任何声波都可以由连接到贴纸上的电子设备传递和收集，类似于医生办公室里的电极和心电图机。未来的应用和影响哈佛大学医学院医学副教授、布里格姆妇女医院副生物工程师ShrikeZhang说："这个系统的真正魅力在于，由于它现在是可穿戴的，因此可以实现低重量、可适配和长时间的持续监测，这不仅可以让病人在实现对疾病进展的长期、几乎实时监测的同时减少痛苦，还可以让训练有素的医院人员腾出时间来从事其他重要工作"。他没有参与这项研究。研究人员还希望将这种贴纸改装成更便携的自封式版本，将其所有配套电子设备和处理过程小型化，装入一个稍大的贴片中。然后，他们设想病人可以在家中佩戴这种贴纸，对病情进行较长时间的连续监测，如实体瘤的进展情况，众所周知，实体瘤会随着病情的严重而变硬。"我们相信这是一个拯救生命的技术平台，"赵说。"我们认为，未来人们只需在身上贴几张贴纸，就能测量许多生命信号，并对体内主要器官的健康状况进行成像和追踪。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421059.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421059.htm

麻省理工学院的AI突破：对抗MRSA的新型抗生素先锋

麻省理工学院的AI突破：对抗MRSA的新型抗生素先锋利用一种被称为深度学习的人工智能，麻省理工学院的研究人员发现了一类化合物，这种化合物可以杀死一种耐药细菌，这种细菌每年导致美国一万多人死亡。在最近发表于《自然》（Nature）的一项研究中，研究人员发现这些化合物可以杀死在实验室培养皿中生长的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），以及在两种MRSA感染小鼠模型中生长的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。这些化合物对人体细胞的毒性也很低，因此特别适合作为候选药物。这项新研究的一个关键创新点是，研究人员还弄清了深度学习模型在预测抗生素效力时使用了哪些信息。这些知识可以帮助研究人员设计出更多的药物，它们可能比模型识别出的药物效果更好。"我们的洞察力在于，我们可以看到模型学习到了什么，从而预测出某些分子会成为很好的抗生素。"麻省理工学院医学工程与科学研究所（IMES）和生物工程系的特米尔医学工程与科学教授詹姆斯-柯林斯（JamesCollins）说："我们的工作提供了一个框架，从化学结构的角度来看，它既省时、省资源，又具有机理上的洞察力。"这项研究是麻省理工学院"抗生素-人工智能项目"（Antibiotics-AIProject）的一部分，该项目由柯林斯领导。该项目是麻省理工学院抗生素-人工智能项目的一部分。该项目由柯林斯领导，其任务是在七年内发现针对七种致命细菌的新型抗生素。用人工智能应对MRSA在美国，每年有超过8万人感染MRSA，它通常会引起皮肤感染或肺炎。严重病例可导致败血症，这是一种可能致命的血液感染。在过去几年里，柯林斯和他在麻省理工学院阿卜杜勒-拉蒂夫-贾米尔健康机器学习诊所（JameelClinic）的同事们开始利用深度学习尝试寻找新的抗生素。他们的工作已经产生了针对鲍曼不动杆菌（一种常见于医院的细菌）和许多其他耐药细菌的潜在药物。这些化合物是利用深度学习模型确定的，该模型可以学习识别与抗菌活性相关的化学结构。然后，这些模型会筛选数百万种其他化合物，预测哪些化合物可能具有较强的抗菌活性。事实证明，这类搜索富有成效，但这种方法的一个局限是，模型是"黑盒子"，也就是说，无法知道模型是根据什么特征进行预测的。如果科学家们知道模型是如何做出预测的，他们就能更容易地找出或设计出更多的抗生素。黄说："我们在这项研究中要做的就是打开黑盒子。这些模型由大量模拟神经连接的计算组成，没有人真正知道这底下发生了什么"。提高人工智能的预测准确性首先，研究人员使用大幅扩展的数据集训练了一个深度学习模型。他们通过测试约3.9万种化合物对MRSA的抗生素活性生成了这些训练数据，然后将这些数据以及化合物的化学结构信息输入模型。Wong说："基本上可以将任何分子表示为化学结构，还可以告诉模型该化学结构是否具有抗菌性。这个模型是在许多这样的例子中训练出来的。如果你给它任何新的分子、新的原子和化学键排列，它就能告诉你该化合物被预测为抗菌的概率。"为了弄清该模型是如何做出预测的，研究人员采用了一种被称为蒙特卡洛树搜索的算法，这种算法已被用来帮助使其他深度学习模型（如AlphaGo）更易于解释。这种搜索算法不仅能让模型对每种分子的抗菌活性做出估计，还能预测该分子的哪些亚结构可能会产生这种活性。人工智能驱动的药物发现过程为了进一步缩小候选药物的范围，研究人员又训练了三个深度学习模型，以预测化合物是否对三种不同类型的人体细胞有毒。通过将这些信息与抗菌活性预测相结合，研究人员发现了既能杀死微生物，又能对人体产生最小不良影响的化合物。利用这组模型，研究人员筛选了大约1200万种化合物，所有这些化合物都可以在市场上买到。根据分子中的化学子结构，模型从这些化合物中识别出了五种不同类别的化合物，这些化合物预计对MRSA具有活性。有希望的成果和未来方向研究人员购买了大约280种化合物，并对它们进行了针对在实验室培养皿中生长的MRSA的测试，从而确定了同一类中的两种似乎非常有希望成为候选抗生素的化合物。在两种小鼠模型（一种是MRSA皮肤感染模型，另一种是MRSA全身感染模型）的测试中，每种化合物都能将MRSA的数量减少10倍。实验发现，这些化合物似乎通过破坏细菌在细胞膜上维持电化学梯度的能力来杀死细菌。许多关键的细胞功能都需要这种梯度，包括产生ATP（细胞用来储存能量的分子）的能力。柯林斯实验室在2020年发现的一种候选抗生素--Halicin似乎也是通过类似的机制发挥作用的，但它对革兰氏阴性细菌（细胞壁较薄的细菌）具有特异性。MRSA是一种革兰氏阳性细菌，细胞壁较厚。Wong说："我们有相当有力的证据表明，这种新的结构类药物通过选择性地消散细菌中的质子动力，对革兰氏阳性病原体具有活性。这些分子选择性地攻击细菌细胞膜，而不会对人类细胞膜造成实质性损害。我们大幅增强的深度学习方法使我们能够预测这一类新结构的抗生素，并发现它对人类细胞没有毒性。"研究人员与PhareBio分享了他们的研究成果，PhareBio是柯林斯等人创办的非营利组织，也是抗生素人工智能项目的一部分。该非营利组织目前计划对这些化合物的化学特性和潜在临床用途进行更详细的分析。与此同时，柯林斯的实验室正在根据新研究的结果设计更多的候选药物，并利用这些模型寻找能杀死其他类型细菌的化合物。Wong说："我们已经在利用基于化学子结构的类似方法来重新设计化合物，当然，我们也可以随时采用这种方法来发现针对不同病原体的新型抗生素。"编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426194.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426194.htm

麻省理工学院为细胞打造“健身计划” 设计水凝胶“房”

麻省理工学院为细胞打造“健身计划”设计水凝胶“健身房”麻省理工学院的工程师设计了一种细胞锻炼垫，可以帮助科学家在微观层面上对运动的机械效应进行归零。研究结果表明，经常锻炼有助于肌肉纤维向同一方向生长。图片来源：EllaMarushchenko现在，麻省理工学院的工程师们设计出了一种细胞锻炼垫，它可以帮助科学家们在微观层面上对运动的纯机械效应进行归零。这种新设计与瑜伽垫并无太大区别：两者都是橡胶材质，有一定的伸缩性。就麻省理工学院的垫子而言，它是由水凝胶制成的，水凝胶是一种类似果冻的柔软材料，只有四分之一硬币大小，内嵌磁性微粒。为了激活凝胶的机械功能，研究人员在垫子下方使用了一块外部磁铁，来回移动嵌入的微粒，使凝胶像振动垫一样摇摆。他们控制着晃动的频率，以模拟肌肉在实际运动时所承受的力量。接下来，他们在凝胶表面培育了一层肌肉细胞地毯，并激活了磁铁的运动。然后，他们研究了细胞在受到磁力振动时对"运动"的反应。研究结果表明，定期的机械运动可以帮助肌肉纤维向同一方向生长。这些排列整齐的"锻炼"纤维还能同步工作或收缩。研究结果表明，科学家可以利用新的锻炼凝胶来塑造肌肉纤维的生长方式。该研究小组计划利用他们的新装置，将强健、功能性肌肉的薄片模型化，以用于软机器人和修复病变组织。拉曼左侧是研究生安吉尔-布，右侧是研究生布兰登-里奥斯。图片来源：亚当-格兰兹曼麻省理工学院工程设计布里特和亚历克斯-达贝洛夫职业发展教授里图-拉曼（RituRaman）说："我们希望利用这个新平台来研究机械刺激是否有助于引导受伤后的肌肉再生或减轻衰老的影响。机械力在我们的身体和生活环境中扮演着非常重要的角色。现在我们有了一个研究工具"。她和同事们最近在《设备》（Device）杂志上发表了他们的研究成果。在麻省理工学院，拉曼的实验室设计用于医学和机器人学的自适应生命材料。该团队正在设计功能性神经肌肉系统，目的是恢复运动障碍患者的行动能力，并为柔软的适应性机器人提供动力。为了更好地了解天然肌肉和驱动其功能的力量，她的团队正在研究组织如何在细胞水平上对运动等各种力量做出反应。拉曼说："在这里，我们想找到一种方法，将运动的两个主要因素--化学和机械--分离开来，看看肌肉是如何纯粹对运动的机械力做出反应的。"研究小组一直在寻找一种方法，让肌肉细胞定期、反复地受到机械力的作用，同时又不会在此过程中对它们造成物理损伤。他们最终选择了磁铁这种安全、无损的方式来产生机械力。对于他们的原型，研究人员首先将市售的磁性纳米粒子与橡胶硅溶液混合，制造出微米大小的小磁棒。他们将混合物固化成板坯，然后将板坯切成非常薄的条状。他们将四根磁棒夹在两层水凝胶（一种通常用于培养肌肉细胞的材料）之间，每根磁棒之间的间距稍大。最后得到的嵌入磁铁的垫子大约有四分之一硬币大小。然后，研究小组在垫子表面培养出"鹅卵石"状的肌肉细胞。每个细胞一开始都是圆形，随着时间的推移逐渐拉长，并与其他相邻细胞融合形成纤维。最后，研究人员在凝胶垫下的轨道上放置了一块外部磁铁，并设定磁铁来回移动的程序。嵌入的磁铁随之移动，使凝胶发生摆动，并产生与细胞在实际运动时类似的力。研究小组每天对细胞进行30分钟的机械"锻炼"，持续了10天。作为对照，他们在相同的垫子上培养细胞，但让它们在没有运动的情况下生长。拉曼说："然后，我们放大并拍摄了凝胶的照片，发现这些受到机械刺激的细胞看起来与对照组细胞截然不同。"研究小组的实验发现，与没有运动的细胞相比，经常暴露在机械运动中的肌肉细胞生长时间更长，而没有运动的细胞则倾向于保持圆形。更重要的是，"运动"过的细胞长出的纤维朝同一方向排列，而不运动的细胞则像杂乱无章的干草堆，纤维排列不整齐。研究小组在这项研究中使用的肌肉细胞是经过基因工程改造的，能在蓝光照射下收缩。通常情况下，人体内的肌肉细胞会在神经电脉冲的作用下收缩。然而，在实验室中对肌肉细胞进行电刺激可能会对它们造成潜在伤害，因此研究小组选择从基因上操纵这些细胞，使它们对非侵入性刺激（在本例中为蓝光）做出收缩反应。拉曼解释说："当我们用光线照射肌肉时，你可以看到控制细胞在跳动，但有些纤维这样跳动，有些那样跳动，总体上产生了非常不同步的抽搐。而在排列整齐的纤维中，它们都同时朝着同一方向拉动和跳动"。她将这种新的锻炼凝胶命名为MagMA（磁性基质驱动），它可以作为一种快速、无创的方法来塑造肌肉纤维，并研究它们如何对运动做出反应。她还计划在这种凝胶上培养其他类型的细胞，以研究它们如何对定期锻炼做出反应。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1396981.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1396981.htm