Nature子刊：“弹出式”电子传感器可以检测单个心脏细胞的不良行为

加州大学圣地亚哥分校的工程师们开发了一种强大的新工具，可以直接测量心脏细胞内电信号的运动和速度，这种工具使用的是微小的“弹出式”传感器，可以戳进细胞而不损害细胞。它可以用来获得对心脏病和疾病更详细的了解。

　　

   

   

图像:“弹出式”传感器的SEM图像，直接测量心脏细胞内电信号的速度和运动。

加州大学圣地亚哥分校的工程师们已经开发出一种强大的新工具，利用微小的“弹出式”传感器，在不损害细胞的情况下，监测心脏细胞内的电活动。该设备直接测量电信号在单个心脏细胞内的移动和速度——这是第一次——同时也测量多个心脏细胞之间的移动和速度。这也是第一次在3D组织的细胞内测量这些信号。

该设备于12月23日发表在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上，可以使科学家们对诸如心律失常(心律异常)、心脏病发作和心肌纤维化(心脏组织硬化或增厚)等心脏疾病有更详细的了解。

“研究电信号如何在不同细胞之间传播对于理解细胞功能和疾病的机制很重要，”第一作者顾悦说，他最近获得了加州大学圣地亚哥分校材料科学和工程博士学位。例如，这种信号的不规律可能是心律失常的征兆。如果信号不能正确地从心脏的一个部分传播到另一个部分，那么心脏的某些部分就不能接收到信号，所以它就不能收缩。”

“有了这个设备，我们可以放大到细胞水平，得到一个非常高分辨率的图像，了解心脏的情况;我们可以看到哪些细胞发生了故障，哪些部分与其他部分没有同步，并确定信号微弱的位置，”资深作者徐盛说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程教授。“这些信息可以用来帮助临床医生做出更好的诊断。”

该设备由一个三维阵列的微观场效应晶体管(fet)组成，形状像尖头。这些微小的fet可以穿透细胞膜而不会损伤细胞膜，并且足够敏感，可以直接探测到细胞内部的电信号，即使是非常微弱的电信号。为了避免被视为外来物质并在细胞内停留很长一段时间，fet被包裹在磷脂双分子层中。该fet可以同时监测来自多个细胞的信号。它们甚至可以在同一个细胞内的两个不同位置监测信号。

“这就是这个设备的独特之处，”顾说。“它可以让两个FET传感器以最小的侵入性穿透一个细胞，让我们看到信号传播的方向和速度。到目前为止，关于单个细胞内信号传输的详细信息一直是未知的。”

为了制造该设备，该团队首先将fet制作成2D形状，然后将这些形状的选择点粘在预拉伸的弹性体片上。然后，研究人员松开弹性体薄片，使设备弯曲，fet折叠成三维结构，以便它们能够穿透细胞内部。

“这就像一本立体书，”顾说。“它一开始是一个2D结构，在压缩力的作用下，它会在某些部分弹出，并成为一个3D结构。”

该团队在培养的心肌细胞和实验室设计的心脏组织上测试了该设备。该实验包括将细胞培养物或组织放在设备上，然后监测FET传感器接收到的电信号。通过观察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向和速度。研究人员能够对相邻细胞之间的信号传输进行这样的研究，这是第一次，对单个心肌细胞内的信号传输进行这样的研究。

更令人兴奋的是，Xu说，这是科学家们第一次能够在三维组织结构中测量细胞内信号。“到目前为止，只有细胞外信号，也就是细胞膜外的信号，在这类组织中被测量到。现在，我们实际上可以接收到嵌入3D组织或类器官的细胞内部的信号。”

该团队的实验导致了一个有趣的观察:单个心脏细胞内的信号传播速度几乎是多个心脏细胞间信号传播速度的5倍。研究这些细节可以揭示细胞水平上心脏异常的见解，顾说。“假设你正在测量一个细胞内的信号速度，以及两个细胞之间的信号速度。如果这两种速度之间有很大的差别，也就是说，如果细胞间的速度比细胞内的速度要小得多，那么很可能是细胞之间的连接处出了问题，可能是纤维化造成的。”

生物学家还可以使用这种设备来研究细胞中不同细胞器之间的信号传输，顾补充道。这样的设备也可以用来测试新药，看看它们如何影响心脏细胞和组织。

该设备还可以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活体真实生物组织的电活动。徐设想一种可植入的设备，可以放置在跳动的心脏表面或皮层表面。但该设备还远未达到这一阶段。为了实现这一目标，研究人员有更多的工作要做，包括微调FET传感器的布局，优化FET阵列的尺寸和材料，并将人工智能辅助信号处理算法集成到设备中。

文章标题

Three-dimensional transistor arrays for intra- and inter-cellular recording