麻省理工學(xué)院：細(xì)胞漫游者：探索和增強(qiáng)細(xì)胞的內(nèi)部世界
麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了一種微型天線，該天線可以在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無線操作，因?yàn)樘炀€具有實(shí)時監(jiān)測甚至指導(dǎo)細(xì)胞活動的潛力，從而為醫(yī)療診斷和以及其他科學(xué)過程開辟了可能性。
麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室助理教授兼 AT&T 職業(yè)發(fā)展主席兼 Nano-Cybernetic Biotrek 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人 Deblina Sarkar 說：“這項(xiàng)研究令人興奮的方面是我們能夠在細(xì)胞規(guī)模上創(chuàng)造機(jī)器人?！?nbsp;“我們能夠在細(xì)胞水平上融合信息技術(shù)的多功能性，這是生物學(xué)的基石?！?/span>
一篇描述這項(xiàng)研究的論文今天發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
這項(xiàng)被研究人員命名為 Cell Rover 的技術(shù)代表了可以在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)行并與 3D 生物系統(tǒng)兼容的天線的演示。Sarkar 說，典型的生物電子接口尺寸只有幾毫米甚至幾厘米，不僅具有高度侵入性，而且無法提供與單個細(xì)胞無線交互所需的分辨率——尤其是考慮到即使一個細(xì)胞的變化也會影響整個生物體。
Sarkar 團(tuán)隊(duì)開發(fā)的天線比細(xì)胞小得多。事實(shí)上，在該團(tuán)隊(duì)對卵母細(xì)胞的研究中，天線只占細(xì)胞體積的不到 0.05%，遠(yuǎn)低于會侵入和損壞細(xì)胞的尺寸。
找到一種方法來制造這種尺寸的天線以在細(xì)胞內(nèi)工作是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)天線的尺寸需要與它們發(fā)射和接收的電磁波的波長相當(dāng)。這樣的波長非常大——它們代表光速除以波頻率。同時，增加頻率以降低該比率和天線的尺寸會適得其反，因?yàn)楦哳l會產(chǎn)生對活體組織造成損害的熱量。
媒體實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)的天線將電磁波轉(zhuǎn)換為聲波，其波長比電磁波的波長小五個數(shù)量級——代表聲速除以波頻率。
這種從電磁波到聲波的轉(zhuǎn)換是通過使用稱為磁致伸縮的材料制造微型天線來完成的。當(dāng)向天線施加磁場，為其供電和激活時，磁致伸縮材料內(nèi)的磁疇會與磁場對齊，從而在材料中產(chǎn)生應(yīng)變，就像編織到一塊布上的金屬鉆頭可能對強(qiáng)磁鐵產(chǎn)生反應(yīng)一樣，導(dǎo)致布料扭曲。
Sarkar 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生、這項(xiàng)工作的主要作者 Baju Joy 說，當(dāng)向天線施加交變磁場時，材料中產(chǎn)生的變化的應(yīng)變和應(yīng)力（壓力）會在天線中產(chǎn)生聲波。“我們還開發(fā)了一種使用非均勻磁場將漫游車引入細(xì)胞的新策略，”喬伊補(bǔ)充道。
Sarkar 說，以這種方式配置的天線可用于探索自然過程發(fā)生時的生物學(xué)基礎(chǔ)。Cell Rover 不是像通常那樣破壞細(xì)胞以檢查其細(xì)胞質(zhì)，而是可以監(jiān)測細(xì)胞的發(fā)育或分裂，檢測不同的化學(xué)物質(zhì)和生物分子，如酶，或物理變化，如細(xì)胞壓力——所有這些都是實(shí)時和體內(nèi)。
研究人員表示，聚合物等材料會隨著化學(xué)或生物分子的變化而發(fā)生質(zhì)量或應(yīng)力變化——已經(jīng)用于醫(yī)學(xué)和其他研究——可以與 Cell Rover 的操作相結(jié)合。這種整合可以提供當(dāng)前涉及破壞細(xì)胞的觀察技術(shù)無法提供的見解。
有了這樣的能力，細(xì)胞漫游者在癌癥和神經(jīng)退行性疾病研究中可能很有價值，例如。正如 Sarkar 解釋的那樣，該技術(shù)可用于檢測和監(jiān)測與疾病在單個細(xì)胞中的進(jìn)展相關(guān)的生化和電學(xué)變化。該技術(shù)應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域，可以闡明活細(xì)胞對不同藥物的反應(yīng)。
由于晶體管和開關(guān)等納米電子設(shè)備的復(fù)雜性和規(guī)?！按砹诵畔⒓夹g(shù)領(lǐng)域 50 年的巨大進(jìn)步，”Sarkar 說——帶有迷你天線的 Cell Rover 可以執(zhí)行各種功能細(xì)胞內(nèi)計(jì)算和信息處理，用于細(xì)胞的自主探索和調(diào)制。研究表明，即使在單個細(xì)胞內(nèi)，也可以使用多個細(xì)胞漫游者在它們之間和細(xì)胞外進(jìn)行通信。
“Cell Rover 是一個創(chuàng)新概念，因?yàn)樗梢詫鞲?、通信和信息技術(shù)嵌入活細(xì)胞，”麻省理工學(xué)院工程學(xué)院院長、Vannevar Bush 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 Anantha P. Chandrakasan 說。“這為極其的診斷、和藥物發(fā)現(xiàn)開辟了前所未有的機(jī)會，并在生物學(xué)和電子設(shè)備的交叉領(lǐng)域創(chuàng)造了新的方向?！?/span>
研究人員將他們的細(xì)胞內(nèi)天線技術(shù)命名為 Cell Rover，以像火星探測器一樣調(diào)用其探索新領(lǐng)域的使命。
“你可以把 Cell Rover 想象成一次探險，探索細(xì)胞的內(nèi)部世界。”Sarkar 說。
