MIT科学家设计“细胞漫游者” 用于探索和增强细胞的内部世界

数码芝华士

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，可以在活细胞内无线操作，为医疗诊断和治疗以及其他科学过程提供了可能性，因为这种天线有可能实时监测甚至指导细胞活动。

麻省理工学院媒体实验室助理教授兼AT&T职业发展主席、纳米控制论生物技术实验室负责人Deblina Sarkar说：“这项研究最激动人心的地方是我们能够在细胞规模上创造机器人。我们能够在细胞水平上融合信息技术的多功能性，而细胞是生物学的组成部分。”

一篇描述该研究的论文于上周发表在《自然-通讯》杂志上。

这项技术被研究人员命名为“细胞漫游者”（Cell Rover），代表了首次展示了一种可以在细胞内运行并与3D生物系统兼容的天线。Sarkar说，典型的生物电子接口的尺寸是几毫米甚至几厘米，不仅侵入性强，而且不能提供与单细胞进行无线互动所需的分辨率--特别是考虑到即使是一个细胞的变化也会影响整个生物体。

Sarkar团队开发的天线比细胞小得多。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不到0.05%，使其远远低于会侵入和损害细胞的尺寸。

找到一种方法来建立一个在细胞内工作的这种尺寸的天线是一个关键挑战。这是因为传统的天线在尺寸上需要与它们发射和接收的电磁波的波长相当。这种波长非常大--它们代表着光速除以波的频率。同时，增加频率以减少该比率和天线的尺寸会产生反作用，因为高频会产生对活体组织有损害的热量。

麻省理工学院媒体实验室研究人员开发的天线将电磁波转换为声波，其波长比电磁波的波长小五个数量级--代表声音的速度除以波的频率。

这种从电磁波到声波的转换是通过使用被称为磁致伸缩的材料制造微型天线来完成的。当一个磁场被施加到天线上，给它供电并激活它时，磁致伸缩材料内的磁畴与磁场对齐，在材料中产生应变，就像织在一块布上的金属碎片对强磁铁的反应一样，导致布的变形。

                               
登录/注册后可看大图

Sarkar实验室的学生、这项工作的主要作者Baju Joy说，当一个交变的磁场施加到天线上时，材料中产生的不同应变和应力（压力）就是在天线中产生声波的原因。“我们还开发了一种新颖的策略，使用非均匀磁场将漫游者引入细胞中，”Joy补充说。

Sarkar说，以这种方式配置的天线可以用来探索自然过程中的生物学基本原理。“细胞漫游者”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，而不是像通常所做的那样破坏细胞来检查它们的细胞质--所有这些都是实时的和在体内的。

研究人员表示，已经用于医学和其他研究的聚合物等材料，在应对化学或生物分子变化时发生质量或压力的变化，可以与“细胞漫游者”的操作整合。这种整合可以提供目前涉及破坏细胞的观察技术所不能提供的见解。

有了这样的能力，“细胞漫游者”在癌症和神经退行性疾病研究中可能很有价值，例如。正如Sarkar所解释的那样，该技术可用于检测和监测与疾病相关的生化和电学变化，以及单个细胞的进展情况。应用于药物发现领域，该技术可以照亮活细胞对不同药物的反应。

由于晶体管和开关等纳米电子装置的复杂性和规模--“这代表了信息技术领域五十年来的巨大进步，”Sarkar说--“细胞漫游者”凭借其迷你天线，可以执行从细胞内计算和信息处理到自主探索和调制细胞的所有功能。研究表明，多个细胞漫游者可以参与，甚至在一个细胞内，在它们之间和细胞外进行交流。

麻省理工学院工程学院院长、范内瓦·布什电子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，因为它可以将传感、通信和信息技术嵌入到一个活细胞内。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，同时也为生物学和电子设备之间的交叉创造了一个新的方向。”

研究人员将他们的细胞内天线技术命名为“细胞漫游者”，以便像火星漫游者一样，唤起其探索新领域的使命。

Sarkar说：“你可以认为细胞漫游者是在进行探险，探索细胞的内部世界。”