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MIT团队新发现:无需导线即可观察细胞活动
发布时间:2025-01-16 20:09:42
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医药
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漫科学
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科创扬帆,科普同行
科普图文简介:
MIT的研究人员开发出了一种无需导线的生物传感技术


监测生物系统中的电信号能够帮助科学家深入了解细胞之间的交流机制,这对于诊断和治疗心律失常、阿尔茨海默症等疾病具有重要意义。

然而,目前用于记录细胞培养或液体环境中电信号的设备通常依赖导线将每个电极连接到相应的放大器。导线数量的限制不仅减少了记录点的数量,也显著降低了从细胞中获取信息的能力。

对此, MIT 的研究人员开发出了一种无需导线的生物传感技术。他们设计了一种微型无线天线,通过光学方法检测微小的电信号。研究团队利用由微型天线组成的阵列(每个天线的宽度仅为人类头发直径的百分之一),以极高的空间分辨率捕捉细胞间的电信号。研究成果已于近期发表在 Science Advances 期刊上。

这些设备足够坚固,能够连续记录超过 10 小时的信号。该技术为研究细胞如何应对环境变化提供了全新的工具。从长远来看,这些科学发现有望推动疾病诊断技术的进步,助力靶向治疗的研发,并提升新疗法的精准评估能力。

“生物电活动是细胞功能和生命过程的核心。然而,精准记录这些信号一直是一个挑战。”Nano-Cybernetic Biotrek 实验室负责人Sarkar 表示,“我们开发的有机散射天线(OCEANs)能够以微米级分辨率无线记录数千个点的电信号。这项技术为我们理解基础生物学以及疾病状态下的异常信号传递提供了前所未有的机会,同时也为评估不同治疗方案和开发新疗法奠定了基础。”

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(图源:MIT News)

起初,团队尝试使用一种特殊的聚合物 PEDOT:PSS,设计出纳米级传感器,并在其中加入金纳米颗粒,期望这些颗粒能够通过聚合物的激发和调制来散射光。然而,实验结果与理论预测并不一致。

在去除了金颗粒后,研究人员意外发现实验结果与理论模型更加吻合。

OCEANs 由 PEDOT:PSS 制成。附近的电活动会使聚合物吸引或排斥周围液体环境中的正离子,从而改变其化学构型和电子结构。这种变化会影响聚合物的折射率,进而改变散射光的方式。

当研究人员向天线照射光线时,光的强度会随周围液体中电信号的强弱而发生变化,从而实现电信号的光学探测。

OCEANs 由成千上万甚至数百万个微型天线组成的阵列构成,每个天线仅约 1 微米宽。研究人员利用光学显微镜直接捕捉散射光,以高分辨率记录细胞的电信号。由于每个天线都是独立的传感器,无需整合多个天线的数据,OCEANs 可以实现微米级分辨率的信号检测。

这种阵列专为体外研究设计,细胞可以直接在阵列表面培养,并在光学显微镜下进行分析。

未来,研究人员希望用真正的细胞培养来测试这种设备。他们还想重塑天线,使其能够穿透细胞膜,从而实现更精确的信号检测。此外,他们还想研究如何将OCEAN集成到纳米光子器件中,以在纳米尺度上操纵下一代传感器和光学器件的光。

新闻来源:麻省理工科技评论

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