[科普中國]-酷炫！芯片植入細(xì)胞不是夢，看看你的細(xì)胞都說了啥？

作者：Charles Q. Choi

翻譯：蔡導(dǎo)

校對：毛毛

微型標(biāo)簽 概念插圖：Yuen Yiu | Insidescience.org（原圖來源：zhouxuan12345678 | flickr/CC BY-SA 2.0）

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，小到可以放入細(xì)胞中的電子芯片能夠幫助科學(xué)家實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)視個(gè)體細(xì)胞的行為。研究者表示，這些獨(dú)立的裝置能夠幫助我們分析從個(gè)體細(xì)胞發(fā)源的疾病。

這種新型的電子設(shè)備就是 微型射頻識別（RFID）標(biāo)簽 （以下統(tǒng)稱“ RFID標(biāo)簽 ”），它們的本質(zhì)是一種可以從遠(yuǎn)處識別的 條形碼 。

RFID標(biāo)簽通常包含一個(gè)微型芯片和一個(gè)連接其上的天線。在它的附近會(huì)有一個(gè)可以向其發(fā)射電磁信號的 讀取器 （一般被稱為收發(fā)器），然后RFID標(biāo)簽可以根據(jù)自己儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，例如它的身份、生產(chǎn)日期、地點(diǎn)和儲(chǔ)存處理方法等，對讀取器做出響應(yīng)。許多RFID標(biāo)簽沒有不內(nèi)置電池，相反它們依賴讀取器所發(fā)射的信號中的能量來傳輸信息。

用于車輛訪問控制的RFID天線。圖片來源：維基百科。

時(shí)至今日，RFID標(biāo)簽已經(jīng)在鑰匙卡、收費(fèi)通行證、圖書館書籍和許多其他物品中得以應(yīng)用。但是，典型的RFID標(biāo)簽的尺寸介乎毫米到厘米之間。相比之下，這些 新興的RFID標(biāo)簽的大小只有22微米 ，大約是人類頭發(fā)平均直徑的五分之一。在7月26日上線的《應(yīng)用物理評論》（ Physical Review Applied ）中，研究人員詳細(xì)報(bào)道了這一研究。他們表示，這使得它們（新興的RFID標(biāo)簽） 成為了已知最小的RFID標(biāo)簽 。RFID標(biāo)簽也應(yīng)用在酒店房卡的開門系統(tǒng)上。圖片來源：維基百科。

制造材料這種新興的RFID標(biāo)簽由兩個(gè)金屬層制成，一層由5 nm厚的鈦膜和200 nm厚的金膜構(gòu)成，另一層由1000 nm寬的鋁層構(gòu)成，兩層之間夾了16 nm厚的二氧化鉿絕緣層。

八邊形設(shè)計(jì)

每個(gè)標(biāo)簽的形狀都是八邊形。研究的主要作者，加州斯坦福大學(xué)的胡曉琳（Jasmine Xiaolin Hu）表示， 八邊形是最接近圓形的形狀，而圓形則是能夠與來自讀取器的電磁場互動(dòng)的最佳形狀。 最終，這個(gè)器件會(huì)以二氧化硅（和沙子的材質(zhì)相同）完全封裝來保證其生物應(yīng)用的安全性。我們甚至可以利用圓形來畫出八角形。圖片來源：維基百科。

功能更強(qiáng)大

傳統(tǒng)的RFID讀取器僅使用一個(gè)天線與標(biāo)簽通訊。而在新興的RFID讀取器上，研究人員使用了兩個(gè)天線，每個(gè)天線大約是新興RFID標(biāo)簽直徑的兩倍。這樣的做法可以 將標(biāo)簽上的信號幅度增強(qiáng)10倍以上 ，并且在檢測上區(qū)分出“一個(gè)在復(fù)雜生物環(huán)境中移動(dòng)的被標(biāo)記的細(xì)胞”和“在幾微米外與讀取器失去連接的細(xì)胞”的分別。胡曉琳說，盡管新興的RFID標(biāo)簽仍然比許多細(xì)胞大，但它們 能“應(yīng)用在很多令人感興趣的細(xì)胞上” ，例如小鼠體內(nèi)的黑色素瘤細(xì)胞、人類體內(nèi)的黑色素瘤細(xì)胞、乳腺癌細(xì)胞、結(jié)腸癌細(xì)胞和健康的結(jié)締組織細(xì)胞，這些都是研究人員發(fā)現(xiàn)的“令人感興趣的細(xì)胞”。

未來研究方向研究人員計(jì)劃在幾微米范圍內(nèi)監(jiān)視在微型硅橡膠通道中移動(dòng)的被標(biāo)記的活細(xì)胞。胡曉琳道，“傳感器和其他設(shè)備能夠與這些微型標(biāo)簽結(jié)合來測量和展示很多事物，我們將實(shí)現(xiàn)此前從未有過的活細(xì)胞內(nèi)的控制 。未來的研究還可以 探索發(fā)展更小的標(biāo)簽并找到持續(xù)跟蹤它們的方法。 ”來自休斯頓衛(wèi)理公會(huì)研究所、未參與此項(xiàng)研究的生物工程師、系統(tǒng)生物學(xué)家史蒂芬·王（Stephen Wong）表示，“這是第一步我們在過程中不以探測、干擾細(xì)胞膜或破壞細(xì)胞的‘冒風(fēng)險(xiǎn)’方式向外界發(fā)送細(xì)胞的信號，它 開啟了活細(xì)胞研究的全新世界 ?！?/p>

一名外科醫(yī)生為英國科學(xué)家Mark Gasson博士的左手植入RFID微芯片（2009年3月16日）。圖片來源：維基百科。

這項(xiàng)將電子器件內(nèi)置于細(xì)胞內(nèi)的能力，將能夠史無前例地 幫助研究者理解并操縱細(xì)胞的行為。 胡曉琳解釋，“多數(shù)疾病的過程發(fā)源于一個(gè)到幾個(gè)細(xì)胞的水平，但現(xiàn)在我們沒有技術(shù)來檢測人體中的個(gè)體細(xì)胞。如果能跟蹤和監(jiān)測個(gè)體細(xì)胞，也許就能在早期檢測到疾病，這樣就能盡早啟動(dòng)治療，使治療變得更加有效?！迸e一個(gè)例子，一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的pH傳感器將能夠幫助測量其酸性。 史蒂芬·王認(rèn)為，“這體現(xiàn)了細(xì)胞的健康程度。此外，我們還可以測量葡萄糖來測量細(xì)胞代謝過程，以及細(xì)胞中許多其他分子?！?/p>

他還表示，未來的研究還應(yīng)聚焦在擴(kuò)展研究人員能掃描標(biāo)簽的范圍，“目前無線接收器需要離細(xì)胞非常近才有用，然而這并不理想。當(dāng)然，目前研究者所展示的已經(jīng)是前進(jìn)的很好一步了?！?/p>

編輯：毛毛

排版：毛毛

題圖來源：Yuen Yiu | Insidescience.org（原圖：zhouxuan12345678 via flickr/CC BY-SA 2.0）

翻譯來源：Insidescience.org，Tiny Electronic Tags Could Fit Inside Cells

AIP | Insight Science

https://www.insidescience.org

美國物理聯(lián)合會(huì)張錚錚供稿