帶有放大 FET 傳感器陣列的設(shè)備，用于測(cè)量 3D 心臟組織結(jié)構(gòu)中的電信號(hào)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)大的新工具，可以監(jiān)測(cè)心臟細(xì)胞內(nèi)的電活動(dòng)，使用微小的“彈出式”傳感器插入細(xì)胞而不會(huì)損壞它們。該設(shè)備直接測(cè)量在單個(gè)心臟細(xì)胞內(nèi)（第一個(gè)）以及多個(gè)心臟細(xì)胞之間傳播的電信號(hào)的運(yùn)動(dòng)和速度。它也是第一個(gè)在 3D 組織細(xì)胞內(nèi)測(cè)量這些信號(hào)的公司。

該設(shè)備于 12 月 23 日發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上，可以讓科學(xué)家們更詳細(xì)地了解心臟病和疾病，如心律失常（心律異常）、心臟病發(fā)作和心臟纖維化（心臟組織變硬或增厚）。

“研究電信號(hào)如何在不同細(xì)胞之間傳播對(duì)于理解細(xì)胞功能和疾病的機(jī)制很重要，”第一作者、最近獲得博士學(xué)位的谷悅說(shuō)。加州大學(xué)圣地亞哥分校材料科學(xué)與工程專業(yè)�！袄�如，這種信號(hào)的不規(guī)則性可能是心律失常的征兆。如果信號(hào)不能從心臟的一部分正確傳播到另一部分，那么心臟的某些部分就無(wú)法接收到信號(hào)，因此無(wú)法收縮�！�

“有了這個(gè)設(shè)備，我們可以放大到細(xì)胞水平，并獲得非常高分辨率的心臟狀況圖片；我們可以看到哪些細(xì)胞出現(xiàn)故障，哪些部分與其他部分不同步，并精確定位信號(hào)的位置很弱，”加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院納米工程教授、資深作者徐盛說(shuō)。“這些信息可用于幫助告知臨床醫(yī)生并使他們能夠做出更好的診斷�！�

該設(shè)備由一個(gè) 3D 陣列的微觀場(chǎng)效應(yīng)晶體管或 FET 組成，它們的形狀像尖尖的尖端。這些微小的 FET 可以穿透細(xì)胞膜而不會(huì)損壞它們，并且足夠靈敏，可以直接檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)部的電信號(hào)——即使是非常微弱的信號(hào)。為了避免被視為外來(lái)物質(zhì)并長(zhǎng)時(shí)間留在細(xì)胞內(nèi)，F(xiàn)ET 被包裹在磷脂雙層中。FET 可以同時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)自多個(gè)電池的信號(hào)。他們甚至可以監(jiān)控同一小區(qū)內(nèi)兩個(gè)不同站點(diǎn)的信號(hào)。

“這就是這款設(shè)備的獨(dú)特之處，”顧說(shuō)�！八�可以讓兩個(gè) FET 傳感器以最小的侵入性穿透一個(gè)細(xì)胞內(nèi)部，并讓我們能夠看到信號(hào)傳播的方式和速度。有關(guān)單個(gè)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳輸?shù)脑敿?xì)信息迄今為止尚不清楚。”

為了構(gòu)建該設(shè)備，該團(tuán)隊(duì)首先將 FET 制成 2D 形狀，然后將這些形狀的選定點(diǎn)粘合到預(yù)拉伸的彈性體片上。然后研究人員松開(kāi)彈性體片，使設(shè)備彎曲，F(xiàn)ET 折疊成 3D 結(jié)構(gòu)，以便它們可以穿透細(xì)胞內(nèi)部。

“彈出式”傳感器的 SEM 圖像，可直接測(cè)量心臟細(xì)胞內(nèi)電信號(hào)的速度和運(yùn)動(dòng)。

“這就像一本立體書(shū)，”顧說(shuō)。“它最初是一個(gè) 2D 結(jié)構(gòu)，在壓縮力的作用下，它會(huì)在某些部分彈出并變成一個(gè) 3D 結(jié)構(gòu)。”

該團(tuán)隊(duì)在心肌細(xì)胞培養(yǎng)物和實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的心臟組織上測(cè)試了該設(shè)備。實(shí)驗(yàn)包括將細(xì)胞培養(yǎng)物或組織放在設(shè)備頂部，然后監(jiān)測(cè)FET 傳感器接收到的電信號(hào)。通過(guò)查看哪些傳感器首先檢測(cè)到信號(hào)，然后測(cè)量其他傳感器檢測(cè)到信號(hào)所需的時(shí)間，該團(tuán)隊(duì)可以確定信號(hào)的傳播方式及其速度。研究人員能夠?qū)υ谙噜徏?xì)胞之間傳播的信號(hào)做到這一點(diǎn)，并且第一次對(duì)在單個(gè)心肌細(xì)胞內(nèi)傳播的信號(hào)做到這一點(diǎn)。

更令人興奮的是，Xu 說(shuō)，這是科學(xué)家們第一次能夠測(cè)量 3D 組織結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)。“到目前為止，只有細(xì)胞外的信號(hào)，這意味著是外部信號(hào)細(xì)胞膜，已在這些類(lèi)型的組織測(cè)量�，F(xiàn)在，我們可以真正回暖信號(hào)嵌入在3D組織或類(lèi)器官的細(xì)胞內(nèi)，”他說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)得出了一個(gè)有趣的觀察結(jié)果：?jiǎn)蝹�(gè)心臟細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)傳播速度幾乎是多個(gè)心臟細(xì)胞之間信號(hào)的五倍。顧說(shuō)，研究這些細(xì)節(jié)可以在細(xì)胞水平上揭示心臟異常的見(jiàn)解�！凹僭O(shè)你正在測(cè)量一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)速度，以及兩個(gè)細(xì)胞之間的信號(hào)速度。如果這兩種速度之間存在很大差異——也就是說(shuō)，如果細(xì)胞間速度遠(yuǎn)小于細(xì)胞內(nèi)速度——那么細(xì)胞之間的連接處可能有問(wèn)題，可能是由于纖維化，”他解釋說(shuō)。

Gu 補(bǔ)充說(shuō)，生物學(xué)家還可以使用這種設(shè)備來(lái)研究細(xì)胞內(nèi)不同細(xì)胞器之間的信號(hào)傳輸。像這樣的設(shè)備也可用于測(cè)試新藥并觀察它們?nèi)绾斡绊懶呐K細(xì)胞和組織。

該設(shè)備還可用于研究神經(jīng)元內(nèi)部的電活動(dòng)。這是該團(tuán)隊(duì)下一步要探索的方向。接下來(lái)，研究人員計(jì)劃使用他們的設(shè)備來(lái)記錄體內(nèi)真實(shí)生物組織的電活動(dòng)。徐設(shè)想了一種可植入裝置，可以放置在跳動(dòng)的心臟表面或皮層表面。但該設(shè)備離那個(gè)階段還很遠(yuǎn)。為此，研究人員還有更多工作要做，包括微調(diào) FET 傳感器的布局、優(yōu)化 FET 陣列尺寸和材料，以及將 AI 輔助信號(hào)處理算法集成到設(shè)備中。