研究電信號如何在不同細胞之間傳播對于了解細胞功能和疾病的機制很重要。例如，這個信號的不規則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，從而無法收縮。電脈沖的產生及其在細胞或細胞網絡內的傳導是電生理學的基石。然而，該領域的進步受到傳感精度和當前記錄技術的可擴展性的限制。鑒于此，加州大學圣地亞哥分校徐升等人開發了一種強大的新工具，可以監測心臟細胞內的電活動，使用微小的“彈出式”傳感器插入細胞而不會損壞它們。該裝置直接測量單個心臟細胞內電信號的運動和速度，這是第一次測量多個心臟細胞之間的電信號。這也是第一次在三維組織細胞內測量這些信號。該設備可以使科學家們更詳細地了解心臟疾病和疾病，如心律失常（心律異常）、心臟發作和心臟纖維化（心臟組織變硬或增厚）。成果發表在Nature Nanotechnology上。
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并長時間留在細胞內，FET 被包裹在磷脂雙層中。FET 可以同時監測來自多個細胞的信號。他們甚至可以監控同一細胞內兩個不同地方的信號。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，FET 折疊成 3D 結構，以便它們可以穿透細胞內部。
該團隊在心肌細胞和實驗室設計的心臟組織上測試了該設備。實驗包括將細胞或組織放在設備頂部，然后監測 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傳播的信號做到這一點。更令人興奮的是，這是科學家們第一次能夠測量 3D 組織結構中的細胞內信號。圖|通過 10-FET 陣列對 2D HL-1 細胞進行細胞內記錄該團隊的實驗得出了一個有趣的觀察結果：單個心臟細胞內的信號傳播速度幾乎是多個心臟細胞之間信號的五倍。研究這些細節可以揭示細胞水平上心臟異常的見解。假設您正在測量一個細胞中的信號速度，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，即如果細胞間速度遠小于細胞內速度，那么細胞之間的連接處可能有問題，可能是由于纖維化。圖|使用 128-FET 陣列對新生大鼠心肌細胞的微組織進行細胞內記錄此外，生物學家還可以使用這種設備來研究細胞內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如何影響心臟細胞和組織。該設備還可用于研究神經元內部的電活動。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真實生物組織的電活動。綜上，該平臺可以提供探測單細胞和細胞網絡電行為的新功能，這對理解細胞生理學、病理學和細胞-細胞相互作用具有廣泛的意義。Gu,Y., Wang, C., Kim, N. et al. Three-dimensional transistor arrays for intra- andinter-cellular recording. Nat. Nanotechnol. (2021).https://doi.org/10.1038/s41565-021-01040-w
