弹出式电子传感器可以检测单个心脏细胞 [复制链接]

“弹出式”电子传感器可以检测单个心脏细胞何时出现异常行为

加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种强大的新工具，可以监测心脏细胞内部的电活动，使用微小的“弹出式”传感器插入细胞而不会损坏它们。该设备直接测量在单个心脏细胞内（第一个）以及多个心脏细胞之间传播的电信号的运动和速度。它也是第一个在3D组织细胞内测量这些信号的公司。

该设备发表在《自然纳米技术》杂志上（“用于细胞内和细胞间记录的三维晶体管阵列”），可以使科学家们更详细地了解心脏疾病和疾病，如心律失常（心律异常）、心脏发作和心脏纤维化（心脏组织变硬或增厚）。

“研究电信号如何在不同细胞之间传播对于了解细胞功能和疾病的机制很重要，”第一作者、最近获得博士学位的谷悦说。加州大学圣地亚哥分校材料科学与工程专业。“例如，这个信号的不规则可能是心律失常的征兆。如果信号不能从心脏的一部分正确传播到另一部分，那么心脏的某些部分就无法接收到信号，从而无法收缩。”“有了这个设备，我们可以放大到细胞水平，并获得心脏正在发生的事情的高分辨率图像；我们可以看到哪些细胞出现故障，哪些部分与其他部分不同步，并确定信号弱的地方，”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、作者徐盛说。“这些信息可用于帮助告知临床医生并使他们能够做出更好的诊断。”

设备的2D形式（左）和折叠成其3D结构（右）的SEM图像。

该设备由一个3D阵列的微观场效应晶体管或FET组成，它们的形状像尖尖的尖端。这些微小的FET可以穿透细胞膜而不会损坏它们，并且足够灵敏，可以直接检测细胞内部的电信号——即使是非常微弱的信号。为了避免被视为外来物质并长时间留在细胞内，FET被包裹在磷脂双层中。FET可以同时监测来自多个电池的信号。他们甚至可以监控同一小区内两个不同站点的信号。

为了构建该设备，该团队首先将FET制成2D形状，然后将这些形状的选定点粘合到预拉伸的弹性体片上。然后研究人员松开弹性体片，使设备弯曲，FET折叠成3D结构，以便它们可以穿透细胞内部。

“这就像一本立体书，”顾说。“它最初是一个2D结构，在压缩力的作用下，它会在某些部分弹出并变成3D结构。”

该团队在心肌细胞培养物和实验室设计的心脏组织上测试了该设备。实验包括将细胞培养物或组织放在设备顶部，然后监测FET传感器接收到的电信号。通过查看哪些传感器首先检测到信号，然后测量其他传感器检测到信号所需的时间，该团队可以确定信号的传播方式及其速度。研究人员能够对在相邻细胞之间传播的信号做到这一点，并且第一次对在单个心肌细胞内传播的信号做到这一点。

更令人兴奋的是，徐盛说，这是科学家们第一次能够测量3D组织结构中的细胞内信号。“到目前为止，仅在这些类型的组织中测量了细胞外信号，即细胞膜外的信号。现在，我们实际上可以在嵌入3D组织或类器官的细胞内获取信号，”他说。

设备与心脏细胞接口的图示（顶部）。传感器可以同时监测多个单细胞（左下）和一个细胞中的两个位点（右下）的电信号。

该团队的实验得出了一个有趣的观察结果：单个心脏细胞内的信号传播速度几乎是多个心脏细胞之间信号的五倍。顾说，研究这些细节可以揭示细胞水平上心脏异常的见解。“假设您正在测量一个细胞中的信号速度，以及两个细胞之间的信号速度。如果这两种速度之间存在很大差异——也就是说，如果细胞间速度远小于细胞内速度——那么细胞之间的连接处可能有问题，可能是由于纤维化，”他解释说。

谷悦补充说，生物学家还可以使用这种设备来研究细胞内不同细胞器之间的信号传输。像这样的设备也可用于测试新药并观察它们如何影响心脏细胞和组织。

该设备还可用于研究神经元内部的电活动。这是该团队下一步要探索的方向。接下来，研究人员计划使用他们的设备来记录体内真实生物组织的电活动。徐设想了一种可植入装置，可以放置在跳动的心脏表面或皮层表面。但该设备离那个阶段还很远。为此，研究人员还有更多工作要做，包括微调FET传感器的布局、优化FET阵列尺寸和材料，以及将AI辅助信号处理算法集成到设备中。