MIT开发新工具“细胞漫游者”:活细胞微型无线实时监控

【字体: 时间:2022年09月23日 来源:MIT麻省理工

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  麻省理工学院的研究人员展示了一种与3D生物系统兼容的细胞内天线,它可以在活细胞内无线工作。

  

麻省理工学院媒体实验室(MIT Media Lab)的研究人员设计了一种微型天线,它可以在活细胞内部进行无线操作,这为医疗诊断和治疗以及其他科学过程开辟了可能性,因为这种天线具有实时监测甚至指导细胞活动的潜力。

“这项研究最令人兴奋的方面是,我们能够在细胞尺度上创造电子人,”麻省理工学院媒体实验室AT&T职业发展主席、纳米控制生物旅行实验室负责人Deblina Sarkar说。“我们能够在细胞层面融合信息技术的多功能性,细胞是生物学的基石。”

一篇描述该研究的论文今天发表在《自然通讯》杂志上。

这项被研究人员命名为“细胞漫游者”(Cell Rover)的技术首次展示了可以在细胞内工作的天线,并与3D生物系统兼容。典型的生物电子接口,Sarkar说,是毫米甚至厘米大小,不仅是高度侵入性的,而且不能提供所需的分辨率与单细胞无线交互-特别是考虑到即使一个细胞的变化可以影响整个生物体。

Sarkar团队开发的天线比电池小得多。事实上,在该团队对卵母细胞的研究中,天线只占细胞体积的0.05%,远远低于会侵入和破坏细胞的尺寸。找到一种方法来制造这种尺寸的天线在细胞内工作是一个关键的挑战。这是因为传统天线的尺寸需要与它们发射和接收的电磁波波长相当。这种波长非常大——它们代表光速除以波频。与此同时,增加频率以减少比例和天线的尺寸是适得其反的,因为高频产生的热量会损害活组织。

实验室的研究人员开发的天线将电磁波转换成声波,声波的波长比电磁波的波长小5个数量级,声波的波长代表声速除以声波频率。

这种从电磁波到声波的转换是通过使用磁致伸缩材料制造微型天线来完成的。当磁场作用在天线上,为其供电并激活它时,磁致伸缩材料中的磁畴就会与磁场对齐,在材料中产生应变,就像编织在一块布中的金属块会对强磁铁产生反应,导致布扭曲一样。

当交变磁场作用在天线上时,材料中产生的应变和应力(压力)的变化就会在天线中产生声波,Sarkar实验室的一名学生、这项研究的主要作者Baju Joy说。“我们还开发了一种新的策略,使用非均匀磁场将漫游车引入细胞,”Joy补充道。

以这种方式配置,天线可以用于探索自然过程发生时的生物学基础,萨卡尔说。细胞漫游者不像通常那样破坏细胞检查细胞质,而是可以监测细胞的发育或分裂,检测不同的化学物质和生物分子,如酶,或物理变化,如细胞压力——所有这些都是实时和活体的。

根据研究人员的说法,聚合物等材料可以随着化学或生物分子的变化而发生质量或应力的变化——已经在医疗和其他研究中使用——可以与“细胞漫游者”的操作相结合。这样的整合可以提供目前观测技术无法提供的洞见,目前的观察技术涉及到细胞的破坏。

有了这样的能力,“细胞漫游者”在癌症和神经退行性疾病的研究等方面可能很有价值。正如Sarkar解释的那样,这项技术可以用于检测和监测与疾病在单个细胞中进展相关的生化和电变化。应用于药物发现领域,该技术可以阐明活细胞对不同药物的反应。由于诸如晶体管和开关等纳米电子设备的复杂性和规模——“代表了信息技术领域50年来的巨大进步,”Sarkar说。拥有迷你天线的“细胞漫游者”可以执行各种功能,包括细胞内计算和自动探测和细胞调制的信息处理。该研究表明,多个细胞漫游者可以参与,甚至在一个细胞内,在细胞内部和细胞外进行通信。

麻省理工学院工程学院院长、Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授Anantha P. Chandrakasan说:“细胞漫游者是一个创新的概念,因为它可以在活细胞中嵌入传感、通信和信息技术。这为极其精确的诊断、治疗和药物发现提供了前所未有的机会,也为生物学和电子设备之间的交叉创造了一个新的方向。”

研究人员将他们的胞内天线技术命名为“细胞漫游者”(Cell Rover),就像火星漫游者一样,调用其探索新边疆的任务。

“你可以把‘细胞漫游者’想象成一次探险,”Sarkar说,“探索细胞的内部世界。”


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