为什么我们在黑暗中创造了发光的磁性精子

纳米颗粒有许多独特的特性，这些特性是基于它们的小尺寸而固有的。它们可以被带到活细胞中，并且相对于它们的体积有一个高的表面积，这允许例如增加与细胞结构的相互作用，并允许将相对大量的药物输送到特定的部位/细胞。

利用纳米粒子的另一个优点是它们可以被设计和合成为具有多种功能。我们开发了一种生物发光磁性纳米颗粒系统，该系统可以成像和跟踪细胞，还可以根据纳米颗粒的磁性对细胞进行操作。如果将靶向或药物部分添加到纳米颗粒中，这种多功能性可以进一步增强。

要克服的挑战

活细胞的生物成像有许多挑战，特别是与纳米颗粒结合时。在细胞与纳米颗粒孵育期间和成像期间，必须小心操作细胞，以避免对细胞健康产生负面影响。

纳米颗粒和活细胞结构之间的长度尺度差异可能会使对两者之间特定相互作用的成像变得困难。当然，活细胞，特别是在液体介质中运动的精子，是在运动的，所以成像它们需要专门的设备和训练。

我们设计的生物成像方法结合了磁性纳米粒子和荧光素酶，荧光素酶是一种从萤火虫中提取的产生生物发光的酶。这种新的纳米技术成像方法有可能取代目前使用的镉基量子点生物成像工具，这些工具已被证明具有生物毒性。

事实上，这项研究中使用的磁性纳米颗粒已经被欧洲药品管理局和美国食品药品管理局批准用于临床。

那么，我们为什么要这么做？

虽然这些生物发光纳米颗粒可以与其他类型的细胞一起使用，但我们对在精子上测试这种新工具感兴趣的原因有几个。

首先，由于纳米颗粒具有磁性，一旦它们与细胞结合，不仅可以对细胞成像并跟踪其运动和位置，而且还可以使用外部磁场对其进行操纵，从而实现细胞的精准操纵。

对于精子来说，这种类型的细胞操作可以用来提高受精率。在许多辅助生殖技术中，精子是通过把它们放在卵子附近或里面来直接操纵的。

使用磁性方法提供了完全非机械定位精子的可能性，使细胞损伤最小化。类似地，其他尖端的控制精子运动的方法也包括螺旋式马达（原始文件）。

第二，这种新的方法有很大的潜力可以扩展到允许纳米颗粒表面的定制。例如，标记物可以被识别和定位，允许纳米颗粒选择性地结合低质量的精子，这样它们就可以很容易地从健康精子中分离出来。

今后的工作

这项概念验证工作证明了纳米颗粒与动物（野猪）精子的结合，结合后的成像和磁功能完好无损。结果表明，这些荧光素酶修饰的磁性纳米粒子可以有效地用于细胞成像和跟踪。

下一步要推进这项工作，包括检查位置特异性结合（精子头部与尾部），使用靶向部分来控制结合部位，控制每个细胞的纳米颗粒密度，以及靶向特定细胞类型，如癌细胞。

当然，随着这项技术的进一步发展，还将研究浓度依赖性的生物毒性、最终粒子归宿以及由磁细胞机车操纵细胞造成的影响。

这一纳米技术平台具有巨大的潜力，有许多研究途径，我们期待在生物纳米技术这一富有挑战性和吸引力的领域继续作出贡献。