Sci Adv︱姚军课题组构建三维纳米晶体管用于同时监测心肌细胞的生物电和机械信号

撰文︱高洪岩

责编︱王思珍，方以一

编辑︱方以一

细胞的电-机械反应是指示人类干细胞诱导分化心脏组织状态的重要指标，诱导分化的组织是心脏疾病研究、药物测试和再生医学有效的模型[1]。因为这两种活动通过兴奋-收缩耦合 （excitation-contraction coupling）错综复杂地联系在一起，所以同时测量两种信号对确定生理和病理机制至关重要。例如，细胞中兴奋-收缩耦合的减弱可能导致心律失常的机制可以通过跟踪细胞的电活动和机械活动来揭示。尽管其重要性，现有的监测方法主要依赖于将两种信号测试方法结合起来从而导致器件集成或者信号采集的不同步性，进一步限制的监测时间、空间分辨率和可扩展性。比如传统的光学方法依靠荧光标记来指示生物电信号和显微镜形态追踪来检测生物力学行为。然而由于时间分辨率和可访问性降低，它们在三维组织中快速动力学的可扩展监测方面受到限制，并且分子标记物可能会损害细胞收缩性或诱导细胞毒性[2]。另外，商业微电极和插指电极的结合用于同时监测机电信号无法突破器件尺寸问题，因器件低通量从而导致的空间分辨率过低[3]。介于此，开发一种可同步测量单细胞生物电-机械活动的器件对于研究复杂的心肌细胞兴奋收缩耦合过程具有重要意义。

2022年8月24日，麻省大学Amherst分校的姚军教授课题组在Science Advances上发表了题为“Bioinspired two-in-one nanotransistor sensor for the simultaneous measurements of electrical and mechanical cellular responses”的研究。该研究报道了第一个三维硅纳米线晶体管用于同时监测单个心肌细胞的生物电-机械信号。

实验室受生物界多功能三维生物丝状物启发，设计了一种三维悬浮的纳米线器件。悬浮纳米线的几何自由度可以将细胞机械运动转化为纳米线中的机械变形或者应变的变化。这种变化可以通过硅纳米线的压阻效应进行监测（图1A, B）。同时纳米晶体管还可以通过场效应检测细胞动作电位（图1C）。由于生物力学和生物电过程可以分为不同的频域，所以两个过程都可以通过纳米线的电信号检测并在单个器件中得以区分。应用之前开发的三维纳米线转移和定位组装技术[],通过一系列的微纳加工，制备了小于细胞尺寸三维硅纳米线晶体管序列（图1D, E）。该三维晶体管由单根硅纳米线跨过SU-8微柱构成三角形稳定结构（图1F），该凸起结构可增强细胞和器件之间的接触，从而实现更紧密的生物界面和电信号监测。值得一提的是作者使用30-50 nm 的硅纳米线，使得晶体管投影区域小于0.4 μm²_，比传统的微电极或者压力传感器小数个数量级。实验结果表明三维晶体管结构的构建并没有影响硅纳米线对场电势监测的灵敏性（图1G），并且该器件对压缩和拉伸应变均表现出良好的线性关系（图1H）。

图1 传感器的结构和表征

（图源： Gao H et al., Sci Adv, 2022）

实验室通过培养人类胚胎干细胞分化的心肌细胞（hESC-CMs）在三维硅纳米线器件来验证该器件的多功能特性。器件表现出良好的生物相容性，心肌细胞可成活并且维持规律的机械活动。 图2中A展示了八个代表性的机电监测信号，信号的周期性和信号频率（~0.4Hz）与典型的hESC-CMs收缩频率一致。与传统的晶体管不同，每个信号周期中，宽频峰前均有周期很短,振幅较低的尖峰（ ~20 ms，1.5 mV）（图2B-D）。该信号符合hESC-CMs细胞外动作电位的信号特征。宽峰的来源通过以下几个方面来验证：（1） 峰值的上升时间相比于动作电位来讲很慢（约600 ms）；（2） 信号的平均持续时间（1.2±0.4 s）（图2E）和hESC-CMs的收缩时间一致，并且信号的形状变化和细胞收缩的动态演变一致；（3）通过钙离子成像与信号对比，宽峰和钙离子的瞬态演变一致。这些证据均表明宽峰来源于心肌细胞的机械收缩舒张，也展示了该器件可同步测试单细胞机械和电信号的能力。因此动作电位和机械信号之间的时间延迟（~35±10 ms）（图2F）对应动作电位触发的钙离子在肌浆网中释放。作者利用该器件独特的多功能特性，揭示了该传感器在细胞药理和病理研究中的潜力。通过使用肌球蛋白抑制剂，和钠，钾，钙离子通道阻滞剂，展示出了该器件可实时同步动态监测单个细胞机电反应的能力（图3）。

图2 多通道动作电位和机械信号监测

（图源： Gao H et al., Sci Adv, 2022）

图3 传感器在药物检测方面应用

（图源： Gao H et al., Sci Adv, 2022）

与传统的压力传感器不同的是，作者通过对机械信号的分析结合模拟细胞-器件界面的机械耦合（图4A），实现了该三维传感器具有解析细胞运动向量的能力。模拟结果表明当细胞运动方向与纳米线角度θ从0^o增大到90^o 时（图4B），纳米线的应变由压缩转变为拉伸，平均转变角度~20^o。通过对细胞收缩周期中连续捕获的图像进行向量分析（图4C, E）发现信号的振幅与细胞位移（图4D, F）始终匹配，而且机械信号的符号与细胞相对于纳米线轴向的运动方向也完全一致（图4D, F），证明了该传感器可解析细胞运动向量的独特能力。

图4 机械信号与细胞运动的相关性

（图源： Gao H et al., Sci Adv, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，作者设计并证明了第一个三维纳米晶体管能够同时采集细胞的机械和电响应。两种功能集成在一个设备上有效率地实现了“等效缩放”，从而最大限度地减少了生物电子器件对组织的侵害。结合最新的研究表明，细胞电信号和机械响应均可以揭示心脏组织中的基因表达。利用该单细胞检测技术可以实现更广泛的表型-基因型的相关性，从而为心脏疾病的病理和药理研究提供更多的机理研究。目前该器件通过微纳加工集成在刚性基底限制了该器件在器官、类器官组织中的应用，如何将该器件集成在柔性器件从而实现更广泛的器官集成将是未来发展的方向。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2485

麻省大学Amherst分校电子计算机工程学院姚军教授为该论文通讯作者，麻省大学Amherst分校电子计算机工程学院博士生高洪岩为该论文第一作者。本研究得到美国国家科学基金委资助完成。

第一作者：高洪岩

（照片提供自： 麻省大学Amherst分校的姚军教授课题组）

往期文章精选

优质科研培训课程推荐【1】R语言临床预测生物医学统计专题培训（10月15-16日，北京·中科院遗传与发育生物学研究所）

欢迎加入“岚翰生命科学”

参考文献（上下滑动阅读）

[1] D. M. Bers, Cardiac excitation-contraction coupling. Nature 415, 198–205 (2002).

[2] J. D. Kijlstra, D. Hu, N. Mittal, E. Kausel, P. van der Meer, A. Garakani, I. J. Domian, Integrated analysis of contractile kinetics, force generation, and electrical activity in single human stem cell-derived cardiomyocytes. Stem Cell Reports 5, 1226–1238 (2015).

[3]  F. Qian, C. Huang, Y.-D. Lin, A. N. Ivanovskaya, T. J. O'Hara, R. H. Booth, C. J. Creek, H. A. Enright, D. A. Soscia, A. M. Belle, R. Liao, F. C. Lightstone, K. S. Kulp, E. K. Wheeler, Simultaneous electrical recording of cardiac electrophysiology and contraction on chip. Lab Chip 17,1732–1739 (2017).

本文完