超平坦场效应晶体管阵列实现亚细胞分辨率下细胞-基底粘附的实时无标记监测

为解决传统ECIS技术难以实现单细胞水平监测的问题，研究人员利用超平坦场效应晶体管阵列（UF-FETs）开发了晶体管转移函数（TTF）方法，成功实现了对细胞粘附、迁移、凋亡和坏死的实时无标记监测，并首次在亚细胞尺度捕捉到脂质囊泡和红细胞鬼细胞的动态粘附过程，为细胞-芯片界面研究提供了突破性工具。

　　

在生命科学研究领域，体外细胞模型作为连接复杂体内研究和无细胞分子研究的重要桥梁，发挥着不可替代的作用。然而，传统的细胞研究方法通常需要对特定生物标志物进行荧光标记，这不仅可能干扰细胞的自然状态，还限制了长期实时观测的可能性。虽然Electric Cell-substrate Impedance Sensing（ECIS，细胞-基底阻抗传感）技术能够实现无标记监测细胞粘附、增殖和迁移过程，但其微电极尺寸限制（最小直径50μm）使得单细胞水平研究变得困难，许多实验只能使用形成致密层的细胞系进行。

为了突破这一技术瓶颈，来自德国亚琛工业大学的研究团队开发了一种革命性的超平坦场效应晶体管（UF-FETs）阵列，将检测分辨率推向了单细胞甚至亚细胞水平。这项研究发表在生物传感器领域顶级期刊《Biosensors and Bioelectronics》上，为实时监测细胞-基底相互作用提供了全新的解决方案。

研究人员采用局部硅氧化（LOCOS）技术实现了晶体管表面的平面化，表面粗糙度控制在30纳米以内。通过创新的晶体管转移函数（TTF）读取方法，应用特定电压振幅和1Hz-1MHz频率范围的正弦信号，成功识别了生物样品与FET栅极氧化物相互作用引起的带宽变化。这种新颖方法能够在单细胞水平实时检测细胞-基底粘附，为深入研究细胞-芯片界面动力学提供了可能。

研究团队使用了人胚胎肾293（HEK 293）细胞和大鼠脐带成纤维细胞两种模型系统。HEK 293细胞因其低内源性离子电流密度和与氧化物表面的强粘附特性而被选用于粘附、脱附、凋亡和坏死测量；而成纤维细胞则因其敏感的运动性和在迁移研究中的模型作用被用于细胞迁移实验。

关键技术方法包括：采用LOCOS工艺制备超平坦FET芯片；使用16通道TTF放大系统进行并行检测；通过原子力显微镜（AFM）表征表面形貌；建立电等效电路（EEC）模型解析TTF谱图；结合光学显微镜进行同步验证。大鼠脐带成纤维细胞来自19天大的Wistar大鼠胚胎，人红细胞鬼细胞来自志愿者捐赠的新鲜血液。

3.1. 超平坦FET芯片制备与表征

研究人员成功制备了栅极长度3-5μm、宽度6-25μm的UF-FET器件，电子有效栅极长度估计为1-3μm。AFM表征显示栅极区域表面台阶高度低于30nm，实现了准平面表面。所有晶体管表现出典型的电子特性，阈值电压范围-1.1至-1.9V，亚阈值斜率100-130mV/dec，最大跨导g_m值适中，确保了细胞粘附检测的灵敏度。

3.2. TTF谱图建模与细胞粘附检测

团队提出了理论EEC模型来定量理解细胞粘附力学。细胞-晶体管耦合动力学通过各种细胞刺激被检测到，其中密封电阻R_seal是描述细胞在晶体管栅极上粘附强度的主要参数。该电阻由细胞膜附着部分与晶体管表面之间的电解质填充接触区域形成。均匀粘附、形态扁平的细胞比纺锤形、小细胞和圆形细胞产生更高的信号变化。

3.3. 细胞脱附、坏死和凋亡的TTF检测

使用胰蛋白酶诱导细胞脱附时，电压最小值向更高频率移动，传递函数值随时间增加，但未完全达到无细胞状态，表明细胞-晶体管附着持续存在。两性霉素B（AmB）处理则表现出完全相反的行为——最小值向更低频率移动，归一化电压降低约30%，表明R_seal值增加。而抗癌药物伊立替康（CPT-11）诱导的细胞凋亡过程中，带阻效应的最小频率向更高频率移动（100-200kHz），但传递函数幅值保持相似。

3.4. 单细胞迁移监测

利用UF-FET的高信噪比和小尺寸栅极，研究人员甚至成功记录了丝状伪足或板状伪足扩展和收缩等亚细胞过程。成纤维细胞在栅极上的迁移活动被实时记录，细胞前部接近和离开栅极时的活动、细胞体完全覆盖栅极时的信号显著降低、以及细胞迁移离开后的信号恢复等动态过程都与光学显微镜图像高度一致。

3.5. 囊泡和红细胞鬼细胞附着

在脂质囊泡附着实验中，由于葡萄糖缓冲液的低电导率，观察到大的时间常数τ₄，在低频处传递函数幅值显著下降。附着过程中TTF谱图最小值向更低频率移动，传递函数值降低，表明τ₃的影响，对应强细胞粘附状态。红细胞鬼细胞实验也发现了类似的构型，但由于ISP缓冲液的电导率更高，TTF谱图表现出中间鞍形。

研究结论表明，TTF方法成功定性地表征了细胞与超平坦FET之间的接触，以及附着在晶体管表面的其他人工和细胞膜基系统。频率和时间依赖性测量揭示了TTF方法与设计的UF-FET器件的各种特性。识别了TTF谱图的多种形状，并从谱图的四个不同时间常数进行了解释。

这项研究的重要意义在于它有效证明了使用超平坦FET器件的TTF方法能够动态监测细胞和脂质膜与晶体管栅极氧化物表面的粘附。与团队早期发表的准平面场效应晶体管相比，本研究实现的UF-FET在其栅极区域也具有平坦的形貌，特征高度小于30纳米，这一特性使得细胞-基底粘附监测达到了前所未有的亚细胞分辨率。

未来的实验应侧重于推进分析方法并加深对涉及时间常数相互作用的理解。需要明确的参考系统来校准系统并确定精确的细胞相关膜粘附值。然而，本工作中描述的采用FET器件的TTF方法作为经典ECIS分析的补充方法具有非常 promising 的未来潜力。利用我们的器件，可以在延长的时间范围内以迄今为止无与伦比的空间分辨率电子监测细胞-基底粘附，用于不同的细胞生物学问题研究。