研究者们将激光用做手术刀和镊子，能对细胞做精细的手术；这对将来治疗不育症可能很有价值。

医生俯在病人身上，小心翼翼地操纵他的激光手术刀。激光接触到病人的体表，开始钻出个微孔了、哎呀！激光打得太强了，损伤超出了医生的预计，病人死了。不过别担心，这里所谓的病人是一个放在小盘子里的胡萝卜细胞。这位医生迈克尔 · 伯恩斯（Michal Berns），是贝克曼激光研究所和加利福尼亚大学埃文分校的细胞生物物理学家，此手术是尝试在细胞壁和细胞膜钻个孔，将新的基因置入其染色体内。

伯恩斯是当今用激光做细胞微型手术少有的几位科学家之一。几年来研究者们已研究出多种用激光做解剖刀和钻孔器的方法：从染色体上剪去一些DNA，在细胞膜上钻孔，损伤或破坏细胞的某些部分来观察没有它们时的细胞功能。最近，他们又增加了一个很有价值的新工具到他们的激光工具箱里种用激光捕获细胞并使它在其附近无损伤地移动的方法，这种方法可望开辟出许多新的应用。目前，它已使研究者们能够施行以往不可能做的手术，比如融合两个细胞等。

“这些激光技术为单个细胞的基础研究提供了独特的机会。”这是纽约斯克内克塔迪通用电机研究中心的刘永生说的，他是最近美国物理协会激光在生物与医学中的应用会议的主席。然而激光外科手术除了在研究方面的应用外，还可被证实具有临床应用价值，尤其是在治疗不育症上。比如，伯恩斯的目标之一就是用激光来提高卵内受精的成功率，该手术适用于那些其精子难以穿过卵子外围蛋白屏障的男性。

将激光用于细胞操作这个想法几乎在人们发明出激光时就有了。最早的实验是在激光仅仅发明两年的1962年做的。巴黎克莱姆林 · 比斯特（Kremlin Bicetre）医院的马瑟尔 · 贝西斯（Marcel Bessis）用红宝石激光来损伤细胞的不同部分，并观察了它们的行为改变。

伯恩斯自己是1966年进入这个领域的，当时做了一个以毁坏一小片千足虫胚胎来研究千足虫的肢体生长情况的实验。他忆及此事说：这一小片太小，以致无法用传统的方法触及，这时就很自然用激光来尝试了，虽然技术问题使最初的一系列实验失败了，但伯恩斯却因此迷上了对细胞做激光微型手术。

伯恩斯早期的一些研究涉及到细胞分裂期间剪去染色体的一个末端。他说，“从染色体分离出来的这个末端会漂浮进细胞质内并被吸收”。通过细心操作，他能够得到失去遗传物质的活细胞，并由此获得有关受损染色体基因活动的线索。

此后，激光微型手术取得了长足的进步。伯恩斯回忆道：“那时我们只有一种激光可用——红宝石激光，现在我们有各种类型的激光，它们各具不同的波长，有些能以很短的脉冲发射出去”，具备各种波长的意义在于细胞的不同部分吸收不同波长的激光，这样，细胞的某一部分对于某些激光的反应就比其它激光好。脉冲型的激光在短时间内释放出许多能量，迅速摧毁目标，从而避免了因热量聚集而损害其周围组织。

另外还有两个重要的改进使得激光外科手术比以前精确得多。其一是增加了激光操纵的精细程度，现在用计算机接口来帮助引导激光，同时计算机增强了的图像使手术过程可看得更清楚。其二是对于工具有好得多的“感觉”。“我们开始真正较清楚地明白了光量子在分子水平与细胞是如何相互作用的”。伯恩斯说。

也许因为这个领域的多学科性，也许因为大部分对激光和生物均感兴趣的研究者们更注意应用，很少有人在细胞激光外科上做大量的工作，刘永生说，他所熟悉的仅有的另一个研究小组属于德国海德堡的物理化学研究所_不管如何，这个领域的近期进展在来年似乎会吸引更多的人。

最近一个实验说明当今人们能够如何精确地控制激光系统。伯恩斯的学生文涛用了一个Nd-YAG激光把微管的网状结构切成薄片（微管是细胞里的微小纤维，在细胞运动细胞形态以及有丝分裂时染色体的运动中起作用），并观察它们是如何再生的。他发现这些微管以不同的速度再生，这与一个预言整个网状物是以一个单元生长的理论相抵触。伯恩斯说，这项工作有助于生物学家了解微管的功能，

虽然激光将微管的紧密结构切开来，但它并不损害细胞内的其余物质和细胞膜，细胞仍具完好的功能，的确，此实验一小时后细胞就能分裂了。这与大部分人所想象的激光会破坏其通路上的任何物质是完全不符的。伯恩斯解释道 ：激光如此具有选择性，是因为激光的峰值强度集中在直径为15毫米的范围内，此范围外的激光强度便大大减小。激光可通过细胞膜到达并切断某个结构而不影响胞膜及细胞的其它部分，这使激光明显优于其它靠体力进入细胞的细胞外科技术。

当激光聚集于细胞膜而不是细胞内的某个结构时，研究者们能在细胞膜上以及植物细胞外面坚韧的细胞壁上钻个这对要将新的基因置入细胞内的遗传工程师们是个很实用的办法。文涛在一个实验中就做了这一项。他将细胞放在内有此细胞要摄取的外来DNA的溶液'中。然后当他用一种激光在某个细胞上钻了个孔时，胞膜在约1毫秒内会关闭起来，但这个时间已足够让基因滑进去了。以后的试验表明新的基因已与该细胞内的染色体合并且起作用。

伯恩斯说，虽然研究者们已经有好几种将遗传物质量入细胞的技术、但激光技术仍具有不少优势。它比用微针直接注射容易操作，因为用针注射需要很稳的手势和大量的操作经验。而且激光技术是穿透某些植物细胞如花粉的好方法，这些植物细胞不能用其它的基因植入技术。

选择哪一种激光用于哪一项工作的问题是通过试错法和优化猜测来解决的，伯恩斯说，“如果你知道你的目标是什么以及它所吸收的激光波长，那就告诉了你首先应尝试哪一种激光。”以后只要对激光种类、强度和脉冲长度进行试验即可。他说，如果你弄错了，很快就能知道。强度太小，什么作用也没有；强度太大，细胞就烧死了。他认为：很有戏剧性的是在细胞膜上钻孔时，将激光强度稍稍提高一点，整个细胞就消失了——炸成了碎片。

去年，伯恩斯发现了激光除了切割和钻孔以外的用途。AT&T贝尔实验室的阿瑟 · 阿斯金（Arthur · Aakin）是最早指出激光能抓获像病毒、单个细胞和细菌般大小的物体。一种低强度的激光能在其焦点上夹住一个小细胞而不损害它达几分钟之久，或者对较大的细胞，激光能抓获细胞内的细胞器并在胞内运动。

伯恩斯在去年初利用该发现了解到有丝分裂期间染色体如何运动的惊人详细情况。科学家们仍没有完全弄懂两组染色体是如何分别被拉入两个均分各半的子细胞中的，因此伯恩斯决定用他的“光镊子”来拉动染色体以观察它们会作出何种反应。在一系列的试验中，他将激光细节在紧靠暂时没运动的染色体的位置，并试图把它们拉向与原来相反的方向，结果是：“突然，染色体开始向背离我们牵拉的方向移动，不仅如此，它们还以比细胞分裂时的正常速度快10~20倍的速度移动”。

确切地说清是什么触发了这个猛烈的反应还不清楚，但伯恩斯假定某个东西（也许是将染色体拉向细胞两半中的微管）感觉到染色体被拉错了方向，然后又以更有力拉向正确方向作出反应。他说，接下来一个实验是切断与微管的联系，然后拉动染色体看会发生什么。

现在激光工具箱里解剖刀和镊子都齐备了，伯恩斯自然迫不及待地要把它们组合应用，在一月份他报导了他融合两个细胞的成功，他将它们并列夹在激光捕获器内，然后在它们交接处照射第二个激光，在几次试验中，他和罗斯玛丽 · 威尔冈德 · 斯丢宾（Rosemarie Wiegard Steubing）及学生比尔 · 赖特（Bill Wright）发现激光破坏细胞膜足以使得两个胞膜逐渐长在一起，5分钟内，两个细胞便完全融合在一个胞膜内了。

从海德堡组来到伯恩斯小组的斯丢宾说，目前仍没有一个融合的细胞能再分裂的，她说在原则上，它们没有理由不分裂，因为别的研究者们已经用化学方法融合了细胞，而且它们存活并分裂了，斯丢宾预言这只是时间问题，只要该小组找到了激光参数和细胞操纵技术合适的组合就可获取同样满意的结果。激光技术的潜在优势是一个研究章对实验过程能施加较多的控制且能观察发生的情况。

用激光如此操纵细胞将在研究和治疗不育症问题上得到重要的应用。去年，伯恩斯和约纳 · 塔德（Yona Tadir）用激光捕获器来测试当精子在游过某种溶液时能产生多大的强度，通过先抓获一个精子然后降低激光强度直至精子能逃出捕获器，研究者们能测量出每个精子所施加的力。某些男性不育症的问题是他们精子的活力差引起的，这项技术可提供一个弄清此原因的方法。

甚至更重要的是，激光外科能为精子无力的男性提供一个促进卵内受精的方法。现在回到了以色列特拉维夫的贝林森（Beilinson）医学中心的妇产科系的塔德估计大概所有的夫妇中有1%之多存在因男性的精子不能通过透明带而引起的不育症，此带是包在卵细胞周围的一层糖蛋白。

伯恩斯和他的合作者，加利福尼亚大学的埃文分校的妇产科系的印斯 · 罗伊尔斯（Ines Rojas）希望在透明带上钻一个孔，帮助无法穿入的精子进去，在对仓鼠卵子进行初期实验后，罗伊尔斯说：“我们已经能够在透明带上钻孔且卵子完好无损，现在我们要看，能否使精子通过这个小孔。”

塔德说，医学研究者们已尝试过其它技术来帮助无力精子进入卵子内，但总的来说没有成功。比如，有些临床医师已用微针注射单个精子进入透明带里，但全世界用此方法受孕成功者很少。然而用微型注射的极少数成功表明：如果精子能穿过透明带而精子和卵子均未受损，就可形成正常的胚胎。

有几个技术问题仍存在，比如，在激光捕获器内同时操纵一个很大的细胞（卵子）和一个很小的细胞（精于）。但只要激光外科继续在卵内受精的道路上努力下去，就一定能得到医生们所期望的结果。

[Science，VOL. 248，1990年4月6日]