加州大学圣地亚哥分校的工程师们已经开发出一种强大的新工具，可以监测心脏细胞内的电活动，使用微小的 "弹出式 "传感器，在不损害细胞的情况下探入细胞。该设备直接测量单个心脏细胞内电信号的移动和速度--这是第一次，也是第一次在多个心脏细胞之间进行测量，同时也是第一次测量三维组织细胞内的这些信号。

12月23日发表在《自然-纳米技术》杂志上的这一装置可以使科学家们更详细地了解心脏障碍和疾病，如心律失常（异常的心律）、心脏病发作和心脏纤维化（心脏组织变硬或变厚）。

第一作者Yue Gu说，研究电信号如何在不同的细胞之间传播对于理解细胞功能和疾病的机制非常重要，他最近在加州大学圣地亚哥分校获得了材料科学和工程的博士学位。例如，这种信号的不规则性可能是心律失常的一个标志。如果信号不能正确地从心脏的一个部分传播到另一个部分，那么心脏的某些部分就不能接收信号，所以它不能收缩。

"有了这个设备，我们可以放大到细胞水平，并获得心脏中发生的非常高分辨率的图片；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，并准确指出信号薄弱的地方，这些信息可以用来帮助通知临床医生，使他们能够做出更好的诊断。"资深作者、加州大学圣地亚哥雅各布工程学院的纳米工程教授Sheng Xu说。

该设备由一个三维阵列的微型场效应晶体管（或称FET）组成，其形状像尖锐的尖头。这些微小的场效应晶体管可以穿透细胞膜而不损坏它们，并且敏感到可以直接在细胞内检测到电信号--即使是非常微弱的信号。为了避免被视为外来物质并长期留在细胞内，场效应晶体管被涂在磷脂双分子层中。场效应管可以同时监测来自多个细胞的信号。它们甚至可以监测同一细胞内两个不同部位的信号。

这就是这个装置的独特之处，它可以让两个场效应晶体管传感器穿透一个细胞内部--以最小的侵入性--让我们看到信号以何种方式传播以及它的速度。这种关于信号在单细胞内传输的详细信息迄今为止还不为人知。

为了构建该设备，该团队首先将场效应晶体管制作成二维形状，然后将这些形状的选定点粘合到一个预先拉伸的弹性体片上。然后，研究人员松开弹性体薄片，使该装置弯曲，FETs折叠成3D结构，以便它们能够穿透细胞内部。

直接测量心脏细胞内电信号的速度和运动的 "弹出式 "传感器的SEM图像。Credit: Yue Gu

它就像一本弹出式书籍，它开始是一个二维结构，在压缩力的作用下，它在某些部分弹出，成为一个三维结构。

该团队在心肌细胞培养物和在实验室中设计的心脏组织上测试了该装置。实验涉及将细胞培养物或组织放在该设备的顶部，然后监测场效应晶体管传感器接收到的电信号。通过观察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，研究小组可以确定信号的传播方式和速度。研究人员能够对相邻细胞之间的信号进行测量，并首次对单一心肌细胞内的信号进行测量。

使之更加令人兴奋的是，这是科学家们第一次能够测量三维组织结构中的细胞内信号。迄今为止，只有细胞外信号，即细胞膜外的信号，在这些类型的组织中被测量。现在，我们实际上可以在嵌入三维组织或类器官的细胞内采集到信号。

该团队的实验导致了一个有趣的观察：单个心脏细胞内的信号比多个心脏细胞之间的信号快了近五倍。研究这类细节可以揭示出在细胞水平上对心脏异常的洞察力。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。如果这两个速度之间有非常大的差异--也就是说，如果细胞间的速度比细胞内的速度小得多，那么很可能是细胞间的连接处出了问题，可能是由于纤维化。

Gu补充说，生物学家也可以用这个设备来研究细胞内不同细胞器之间的信号传输。像这样的设备也可以用来测试新的药物，看看它们如何影响心脏细胞和组织。

该设备对于研究神经元内部的电活动也将是有用的。这也是该团队下一步想要探索的方向。下一步，研究人员计划用他们的设备来记录体内真实生物组织的电活动。Xu设想了一种可植入的设备，可以放在跳动的心脏表面或大脑皮层的表面上。但该设备离这个阶段还很远。为了达到这个目标，研究人员还有更多的工作要做，包括微调FET传感器的布局，优化FET阵列的尺寸和材料，并将人工智能辅助的信号处理算法集成到设备中。