“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

带有放大 FET 传感器阵列的设备，用于测量 3D 心脏组织结构中的电信号。

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。

该设备于 12 月 23 日发表在《自然纳米技术》杂志上，可以让科学家们更详细地了解心脏病和疾病，如心律失常（心律异常）、心脏病发作和心脏纤维化（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理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，这种信号的不规则性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，因此无法收缩。”

“有了这个设备，我们可以放大到细胞水平，并获得非常高分辨率的心脏状况图片；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，并精确定位信号的位置很弱，”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院纳米工程教授、资深作者徐盛说。“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。”

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。

“这就是这款设备的独特之处，”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内部，并让我们能够看到信号传播的方式和速度。有关单个细胞内信号传输的详细信息迄今为止尚不清楚。”

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。

“弹出式”传感器的 SEM 图像，可直接测量心脏细胞内电信号的速度和运动。

“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一个 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，Xu 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，只有细胞外的信号，这意味着是外部信号细胞膜，已在这些类型的组织测量。现在，我们可以真正回暖信号嵌入在3D组织或类器官的细胞内，”他说。

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，研究这些细节可以在细胞水平上揭示心脏异常的见解。“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。

Gu 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。

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