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

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

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）。

“研究電信號如何在不同細(xì)胞之間傳播對于理解細(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。加州大學(xué)圣地亞哥分校材料科學(xué)與工程專業(yè)�！袄�如，這種信號的不規(guī)則性可能是心律失常的征兆。如果信號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法接收到信號，因此無法收縮。”

“有了這個設(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�！斑@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 3D 陣列的微觀場效應(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)胞膜而不會損壞它們，并且足夠靈敏，可以直接檢測細(xì)胞內(nèi)部的電信號——即使是非常微弱的信號。為了避免被視為外來物質(zhì)并長時間留在細(xì)胞內(nèi)，F(xiàn)ET 被包裹在磷脂雙層中。FET 可以同時監(jiān)測來自多個電池的信號。他們甚至可以監(jiān)控同一小區(qū)內(nèi)兩個不同站點的信號。

“這就是這款設(shè)備的獨特之處，”顧說。“它可以讓兩個 FET 傳感器以最小的侵入性穿透一個細(xì)胞內(nèi)部，并讓我們能夠看到信號傳播的方式和速度。有關(guān)單個細(xì)胞內(nèi)信號傳輸?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)隊首先將 FET 制成 2D 形狀，然后將這些形狀的選定點粘合到預(yù)拉伸的彈性體片上。然后研究人員松開彈性體片，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，可直接測量心臟細(xì)胞內(nèi)電信號的速度和運(yùn)動。

“這就像一本立體書，”顧說�！八�最初是一個 2D 結(jié)構(gòu)，在壓縮力的作用下，它會在某些部分彈出并變成一個 3D 結(jié)構(gòu)�！�

該團(tuán)隊在心肌細(xì)胞培養(yǎng)物和實驗室設(shè)計的心臟組織上測試了該設(shè)備。實驗包括將細(xì)胞培養(yǎng)物或組織放在設(shè)備頂部，然后監(jiān)測FET 傳感器接收到的電信號。通過查看哪些傳感器首先檢測到信號，然后測量其他傳感器檢測到信號所需的時間，該團(tuán)隊可以確定信號的傳播方式及其速度。研究人員能夠?qū)υ谙噜徏?xì)胞之間傳播的信號做到這一點，并且第一次對在單個心肌細(xì)胞內(nèi)傳播的信號做到這一點。

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

該團(tuán)隊的實驗得出了一個有趣的觀察結(jié)果：單個心臟細(xì)胞內(nèi)的信號傳播速度幾乎是多個心臟細(xì)胞之間信號的五倍。顧說，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解。“假設(shè)你正在測量一個細(xì)胞內(nèi)的信號速度，以及兩個細(xì)胞之間的信號速度。如果這兩種速度之間存在很大差異——也就是說，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題，可能是由于纖維化，”他解釋說。

Gu 補(bǔ)充說，生物學(xué)家還可以使用這種設(shè)備來研究細(xì)胞內(nèi)不同細(xì)胞器之間的信號傳輸。像這樣的設(shè)備也可用于測試新藥并觀察它們?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。這是該團(tuán)隊下一步要探索的方向。接下來，研究人員計劃使用他們的設(shè)備來記錄體內(nèi)真實生物組織的電活動。徐設(shè)想了一種可植入裝置，可以放置在跳動的心臟表面或皮層表面。但該設(shè)備離那個階段還很遠(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 輔助信號處理算法集成到設(shè)備中。