帶有放大 FET 傳感器陣列的設備，用于測量 3D 心臟組織結構中的電信號。

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

該設備于 12 月 23 日發(fā)表在《自然納米技術》雜志上，可以讓科學家們更詳細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胞之間傳播對于理解細胞功能和疾病的機制很重要，”第一作者、最近獲得博士學位的谷悅說。加州大學圣地亞哥分校材料科學與工程專業(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�！�

“有了這個設備，我們可以放大到細胞水平，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，”加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院納米工程教授、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�！�

該設備由一個 3D 陣列的微觀場效應晶體管或 FET 組成，它們的形狀像尖尖的尖端。這些微小的 FET 可以穿透細胞膜而不會損壞它們，并且足夠靈敏，可以直接檢測細胞內(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。

“這就是這款設備的獨特之處，”顧說�！八�可以讓兩個 FET 傳感器以最小的侵入性穿透一個細胞內(nèi)部，并讓我們能夠看到信號傳播的方式和速度。有關單個細胞內(nèi)信號傳輸?shù)脑敿毿畔⑵�今為止尚不清楚。�?/p>

為了構建該設備，該團隊首先將 FET 制成 2D 形狀，然后將這些形狀的選定點粘合到預拉伸的彈性體片上。然后研究人員松開彈性體片，使設備彎曲，F(xiàn)ET 折疊成 3D 結構，以便它們可以穿透細胞內(nèi)部。

“彈出式”傳感器的 SEM 圖像，可直接測量心臟細胞內(nèi)電信號的速度和運動。

“這就像一本立體書，”顧說。“它最初是一個 2D 結構，在壓縮力的作用下，它會在某些部分彈出并變成一個 3D 結構�！�

該團隊在心肌細胞培養(yǎng)物和實驗室設計的心臟組織上測試了該設備。實驗包括將細胞培養(yǎng)物或組織放在設備頂部，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，該團隊可以確定信號的傳播方式及其速度。研究人員能夠對在相鄰細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，這是科學家們第一次能夠測量 3D 組織結構中的細胞內(nèi)信號。“到目前為止，只有細胞外的信號，這意味著是外部信號細胞膜，已在這些類型的組織測量。現(xiàn)在，我們可以真正回暖信號嵌入在3D組織或類器官的細胞內(nèi)，”他說。

該團隊的實驗得出了一個有趣的觀察結果：單個心臟細胞內(nèi)的信號傳播速度幾乎是多個心臟細胞之間信號的五倍。顧說，研究這些細節(jié)可以在細胞水平上揭示心臟異常的見解�！凹僭O你正在測量一個細胞內(nèi)的信號速度，以及兩個細胞之間的信號速度。如果這兩種速度之間存在很大差異——也就是說，如果細胞間速度遠小于細胞內(nèi)速度——那么細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 補充說，生物學家還可以使用這種設備來研究細胞內(nèi)不同細胞器之間的信號傳輸。像這樣的設備也可用于測試新藥并觀察它們?nèi)绾斡绊懶呐K細胞和組織。

該設備還可用于研究神經(jīng)元內(nèi)部的電活動。這是該團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備來記錄體內(nèi)真實生物組織的電活動。徐設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。但該設備離那個階段還很遠。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備中。