如果有一项技术，能让癌细胞“无处藏身”，是不是很厉害？

　　人体由细胞组成，其中复杂的变化过程，来自细胞中的各种化学反应。一个豌豆大小的肿瘤可以有数十个乃至成百上千个克隆和子细胞，每个细胞的基因突变和基因表达都略有不同。

　　那么在肉眼看不见的细胞世界里，如何使用现代科技手段提高特殊细胞的鉴别效率呢？

　　近日，南方科技大学胡程志副教授课题组研发出一款微纳传感及操控自动化系统，可以帮助患者进行疾病的早期诊断和病情进展研究。

　　该项研究以论文“Robotic Intracellular Electrochemical Sensing for Adherent Cells”为题发表于中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊《Cyborg and Bionic Systems》上。

　　论文地址：https://downloads.spj.sciencemag.org/cbsystems/aip/9763420.pdf

　　先来说说进行活细胞生理功能研究的意义，这类研究能够从细胞和分子水平上破译代谢遗传、免疫缺陷和疾病机理，是细胞生物学研究与发展的关键所在。

　　一般而言，通过测量样品的荧光信号能够实现对细胞的大小、形态、元素含量和内容物等参数进行分析。但荧光探针的使用容易扰乱细胞内的生理特性，就可能会导致细胞损伤。↓↓↓

　　而基于纳米探针的细胞内传感，通过电化学反应测量细胞内目标物质浓度，为细胞内生化传感提供了一种无标记（无荧光染色）的测量方法。同时，由于纳米探针尖端的微小尺寸，可以将对单个细胞的损伤降至最低。

　　由于目标尺度上的约束，人工操控难以确定细胞和针尖的相对位置，因此无法稳准快地执行细胞刺入动作，存在耗时、重复性差、效率低等问题。

　　因此，亟需一种自动化的微纳传感与操控设备以完成细胞检测，穿刺操控，该项技术的研发在活细胞生理行为及功能检测等研究中具有重要的应用潜力。

　　▍纳米级感知神器——锥形管状纳米探针

　　可准确识别细胞，且具备高稳定性、高效率、生物相容、多功能化的微纳操控技术，是活细胞微纳传感与操控技术发展中至关重要的一环。

　　说来容易，实施起来却是难上加难，毕竟这可不是宏观世界里的直观体现，而是以「纳米」为单位。

　　为解决上述难题，团队首先设计了一种针尖约为100 nm的锥型管状探针，其尖端具有一个金属圆环，可作为电化学检测的工作电极。

　　此外，显微传感与操控机器人系统利用具有5nm精度的微型机械臂来控制探针移动，并通过显微镜获取视觉信息，准确获得细胞与针尖的位置，就是这个↓↓↓

细胞显微传感与操控机器人系统图

　　▍位置感知 —— 细胞定位与针尖定位

　　为保证探针针尖准确刺入细胞，首先需要对细胞进行识别和定位。为了避免荧光染色对细胞造成影响，系统提出了一种无需荧光染色的细胞识别算法。

　　与自动聚焦不同，该算法将细胞自动定位至一个离焦平面，使得贴壁细胞和背景之间的灰度差异最大化，从而简化了细胞识别过程，并提高了细胞识别率。

用于细胞检测的图像处理过程

　　此外，在纳米探针针尖自动聚焦的过程中，如何避免针尖越过聚焦平面并碰撞到细胞底部的培养皿所导致的针尖损坏问题呢？

　　课题组想了一个新的办法：通过模板匹配算法来实现非过冲的自动聚焦，保证了针尖不会越过聚焦平面：

　　由于贴壁细胞的厚度变化很大，如何精确确定“穿刺针”和细胞的相对高度呢？

　　课题组采用了基于离子电流反馈的靠近检测方法。当针尖非常靠近细胞时，尖端会逐渐被细胞堵塞，通过尖端开口的离子电流也会减小，因而可以通过监测离子电流实现针尖与细胞间相对高度的准确感知。

基于离子电流反馈的接近检测

　　▍穿刺，“探测细胞内的活性氧”

　　研究人员选择了斑马鱼胚胎和人类乳腺癌细胞，通过纳米探针对其进行穿刺，并且对细胞内活性氧成分进行传感检测。

　　实验结果，证明了纳米探针对ROS具有高选择性响应，同时探针具备量化检测不同种细胞的细胞内ROS的能力。

细胞内ROS检测

　　▍微纳的起源和发展

　　早在 1959 年，著名物理学家费曼（R.P Feynman）发表了一篇关于微纳技术的报告：《自底层构造的丰富结构》（There’s plenty of room at the bottom）。

　　经过半个多世纪的发展，微纳技术的研究和应用已经成为了当今科学技术领域的重要学科之一，并带动了科学技术在其他领域的巨大进步甚至革命性的突破。

　　如今，活细胞传感与操控技术的发展与进步，提供了亚细胞生理事件在时间分辨尺度上的生物信息，是最清晰、直观、方便准确的细胞生理研究方式，也逐渐成为理解生物系统不可或缺的研究工具。

　　胡程志副教授团队在此项研究工作中研制了集成自动化操控技术及细胞内电化学传感为一体的显微操作机器人系统，使得细胞内电化学传感技术具备高稳定性、高效率的新特点，为高通量检测、诊断和分类单细胞内不同形式的生化反应奠定了坚实的基础，对具有强细胞异质性疾病（如癌症）的进展研究与早期诊断有重要意义。

　　引用信息：

　　Weikang Hu, Yanmei Ma, Zhen Zhan, Danish Hussain, Chengzhi Hu, "Robotic Intracellular Electrochemical Sensing for Adherent Cells", Cyborg and Bionic Systems, vol. 2022, Article ID 9763420, 12 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9763420

　　▍作者介绍

　　南方科技大学机械与能源工程系胡程志副教授，师从微纳米机器人及自动化领域的国际知名学者福田敏男教授。开展面向生物和医学应用的微纳机器人、微流控（microfluidics）器件、微机电系统（MEMS/）技术研究。