华人科学家开发柔性电子传感器阵列，可监测心肌细胞异常心脏病在过去20年里一直是“头

心脏病在过去20年里一直是“头号杀手” ，死于心脏病的人数占全部死亡人数的16% 。近日，加州大学圣地亚哥分校的研究者们研发了一个柔性电子传感器阵列，可监测电信号在心肌细胞内以及细胞间的传导，有望实现细胞内信号检测，研究细胞内不同细胞器之间的信号传导，或可用于测试新药物如何影响心脏细胞和组织。研究结果发表于2021年12月23日的《自然·纳米技术》（NatureNanotechnology）上。
这种微小的“弹出式”传感器会在不损害细胞的情况下进入细胞，并直接测量单个心脏细胞内电信号的传导和速度，还可以获得心脏内高分辨率的图片。

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光学显微镜下的传感器|徐升供图
果壳编辑团队第一时间联系了研究者，文章第一作者谷悦告诉果壳：“‘高分辨’意味着同一个设备在单位面积的心肌组织上可以布置多个传感器，在有限的空间内获得更详细的信息；‘图片’则指的是电信号在细胞间以及细胞内传导的路径图，据此我们就能看到是哪些细胞出现了故障，哪里与其他地方的活动不同步，并准确指出信号薄弱之处。 ”
加州大学圣地亚哥雅各布工程学院的纳米材料教授徐升表示：“传感器提供的这些信息，可以帮助临床医生更好地诊断。 ”
设备怎么工作？
这个传感器是由一个三维阵列的微型场效应晶体管（或称FET）组成，形状像一个尖头。这些微小的场效应晶体管可以穿透但不损坏细胞膜，并且非常灵敏，能够直接在细胞内检测到非常微弱的电信号。

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扫描电镜下的传感器形貌|徐升供图
FET的表面修饰了磷脂双分子层，进入细胞的过程与囊泡或脂质体进入细胞的过程相似——当修饰过的FET接近细胞时，其表面的磷脂会与细胞膜自发融合。这样一来可以避免被细胞当作异物，也可以让它进入细胞的过程更容易。此外， FET进入细胞内部之后能够与细胞膜之间形成紧密而稳定的接触，从而使其测试更久也更准确。

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该装置与心脏细胞接口的插图，传感器可以同时监测多个单细胞的电信号（左下）和一个细胞的两个位置（右下）|《自然-纳米技术》[3]
在一个设备上设计多个相互独立的传感器，当设备去测试细胞信号的时候，如果这些传感器各自测试不同的细胞，研究的电信号就是在这些细胞之间的传递（intercellularconduction）。 ”谷悦解释道， “另一种情况是，如果两个相邻的传感器在同一个细胞的不同位置监测，得到的就是细胞内部信号的传导(intracellularconduction) 。 ”
目前，电信号在单细胞内传导的详细信息还是未知的。 “这就是这个装置的独特之处， ”谷悦说， “它可以让两个传感器以最小的侵入方式穿透同一个细胞的细胞膜，让我们看到信号在同一个细胞内的传导方向，以及它的传导速度如何。 ”
如何制作进入细胞的设备？
“研究电信号在不同细胞之间的传导方式，对了解细胞功能和疾病机制非常重要。 ”谷悦介绍道， “例如，如果信号显示异常，则可能是心律不齐的征兆。如果电信号不能正常传导，那么心脏某些部分就无法接收信号，从而无法收缩。 ”

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该装置的二维形式（左）和折叠成三维结构（右）的扫描图像|《自然-纳米技术》[3]