美国研究人员团队开发了一种创新的纳米电子传感器，可以同时测量心脏细胞的电和机械活动，为改进心脏病研究、药物测试和再生医学方法铺平了道路。那么，传感器到底是如何工作的呢？与现有方法相比，它的主要优势是什么？研究团队的下一步计划是什么？
纳米电子传感器
心脏病仍然顽固地位居人类死亡主要原因之首，对它们的研究兴趣仍然是科学界的优先事项。在此类研究中，通常使用更方便 细胞/组织 存在于人体外部的组织——并且能够以最小的干扰持续监测组织状态。
为了优化此类流程，来自 马萨诸塞大学阿默斯特分校 和 密苏里大学 他们创造了一种微型纳米电子传感器，比单个细胞小得多，能够同时测量心脏组织中的电和机械细胞反应。它这样做的方式是，被研究的细胞或组织不会“感觉”到有任何奇怪的东西插入其中。
由于细胞的电响应和机械响应通过兴奋-收缩耦合过程错综复杂地相关，因此同时测量它们对于识别生理和病理机制至关重要。
作为团队负责人 姚骏 解释说，现有的传感器只能检测心脏组织或细胞中的电或机械活动。 “我们需要同时检测这两个信号，以更好地监测组织状态并揭示更多机械信息，”他说。
新型纳米传感器由无机或有机材料制成，经过严格测试以确保其具有生物相容性。该传感器采用悬浮半导体硅纳米线，其尺寸比细胞小 100 倍，并且对细胞无毒。 “想象一下，这是一根悬空的小绳子——如果你拉它，它就能感受到压力，”姚解释道。 “这就是它检测细胞机械信号的方式。同时，想象它是一根导电电缆，这意味着它也可以检测来自细胞的电信号。”
接下来的步骤
据姚介绍，纳米传感器目前是在基于生物芯片的扁平基底上制造的，并在顶部培养心肌细胞。然而，在未来，它们有可能以 3D 分布嵌入组织中。
“传感器可以放置在体外的组织模型中，可用于测试药物效应等关键变量，因此传感器可以提供有关药物对心脏组织或细胞的影响的反馈，”姚解释道。 “心脏组织是由所谓的兴奋收缩机制驱动的——前者是电过程，后者是机械过程——我们需要监测这两者，以便提供最准确的反馈。以前的传感器只能告诉其中之一；我们现在可以同时监控这两个过程。”
微型晶体管阵列记录心脏细胞内的电活动
展望未来，姚透露，传感器还有可能集成到他所描述的“可交付基板”上，这样它们就可以贴在活体心脏上进行健康监测和早期疾病诊断。
“这可能听起来很可怕——但想象一下，一切都如此之小，以至于不会给心脏带来扰动，”他说。 “下一步，我们将把目前的平面生物芯片集成转化为 3D 集成，使传感器能够触及 3D 空间中的细胞。一种可能的方法是将这些传感器集成到柔软的多孔组织支架上，该支架可以自然地嵌入 3D 组织中。”
研究人员描述了他们的发现 科学进展.
