华人科学家开发的柔性电子传感器阵列，可监测心肌细胞异常，方便医生诊断
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心脏病在过去20年里一直是“头号杀手”，死于心脏病的人数占全部死亡人数的16%。近日，加州大学圣地亚哥分校的研究者们研发了一个柔性电子传感器阵列 Nature Nanotechnology ）上。 这种微小的“弹出式”传感器会在不损害细胞的情况下进入细胞，并直接测量单个心脏细胞内电信号的传导和速度，还可以获得心脏内高分辨率的图片。 果壳编辑团队第一时间联系了研究者，文章第一作者谷悦告诉果壳：“‘高分辨 图片 加州大学圣地亚哥雅各布工程学院的纳米材料教授徐升表示：“传感器提供的这些信息，可以帮助临床医生更好地诊断。” 这个传感器是由一个三维阵列的微型场效应晶体管（或称FET）组成，形状像一个尖头。这些微小的场效应晶体管可以穿透但不损坏细胞膜，并且非常灵敏，能够直接在细胞内检测到非常微弱的电信号。 FET的表面修饰了磷脂双分子层，进入细胞的过程与囊泡或脂质体进入细胞的过程相似——当修饰过的FET接近细胞时，其表面的磷脂会与细胞膜自发融合。这样一来可以避免被细胞当作异物，也可以让它进入细胞的过程更容易 该装置与心脏细胞接口的插图，传感器可以同时监测多个单细胞的电信号（左下）和一个细胞的两个位置（右下）| 《自然-纳米技术》[3] 在一个设备上设计多个相互独立的传感器，当设备去测试细胞信号的时候，如果这些传感器各自测试不同的细胞，研究的电信号就是在这些细胞之间 细胞内部 目前，电信号在单细胞内传导的详细信息还是未知的。“这就是这个装置的独特之处，”谷悦说，“它可以让两个传感器以最小的侵入方式穿透同一个细胞的细胞膜，让我们看到信号在同一个细胞内的传导方向，以及它的传导速度如何。” “研究电信号在不同细胞之间的传导方式，对了解细胞功能和疾病机制 该装置的二维形式（左）和折叠成三维结构（右）的扫描图像 | 《自然-纳米技术》[3] 为了构建这个设备，该团队首先将场效应晶体管制作成二维片状，然后将这个二维的器件转移到一个预先拉伸开的硅胶弹性体基底上。当预拉伸的力被释放后，原本的二维结构就受到一个挤压力，在这个挤压力的作用下，这个二维结构会变形成三维的结构 “这种传感器就像一本立体书（pop-up book）。”谷悦说，“它开始是二维结构，在压力下某些部分弹出，从而形成三维结构。” 科研团队在体外培养的心肌细胞和心脏组织上都测试了这种传感器。实验会将细胞培养物或组织放在该装置上，然后监测场效应晶体管传感器接收到的电信号。通过观察哪些传感器先检测到信号，以及其他传感器检测到信号所需的时间，研究小组就可以确定信号的传输方式和速度，还能测量相邻细胞的信号——这也是该领域首次对单一心肌细胞内的信号进行测量 传统用于监测细胞电信号的膜片钳技术，仍是最广泛应用的细胞内电生理信号技术，但设备的操作难度非常大，侵入式的测量方式也很容易杀死待测的细胞。利用这种表面修饰磷脂双分子层的传感器，可以尽可能减少对待测细胞的侵害 徐升还介绍说：“更棒的是，这是研究者首次能够测量三维组织结构中的细胞内信号。”迄今为止，这类组织中的信号监测只在细胞膜外实现过，而这种传感器则可以收集组织内细胞中的信号。 按比例放大的FET传感器阵列的设备，用于测量三维心脏组织结构中的电信号测量 | 谷悦供图[2] 科研团队在实验中还发现，单个心肌细胞内的信号传导比多个心脏细胞之间快了近5倍。谷悦认为，研究这些问题可以揭示在细胞水平上心脏异常的原因 该设备的一个最基本的应用方向就是在未来能一定范围内取代传统的膜片钳技术，用于细胞内电生理信号的监测 接下来，该团队将会开展神经元内部电信号活动的研究 为了达到这个目标，研究人员还需要针对FET传感器布局的调整、FET阵列的尺寸和材料的优化，以及在人工智能辅助的信号处理算法的设备整合等方面进行深入研究。 “产业化 致谢
感谢加州大学圣地亚哥分校纳米工程系助理教授徐升及博士谷悦对本文的审阅和建议。
[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/938733 [2]https://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/pop-up-electronic-sensors-could-detect-when-individual-heart-cells-misbehave [3]https://www.nature.com/articles/s41565-021-01040-w [4]https://engineeringcommunity.nature.com/posts/intra-and-inter-cellular-recording-by-a-3d-transistor-array 通讯作者
课题组主页
第一作者
发布杂志 Nature Nanotechnology
论文标题
Three-dimensional transistor arrays for intra- and inter-cellular recording
果壳创始人姬十三 表示：在神经科学实验室做了六年的膜片钳工人，对这项新技术的出现感到五味杂陈……
