我們體內(nèi)的細(xì)胞要作為一個整體發(fā)揮作用，就必須不斷地相互溝通。它們分泌信號分子(離子、蛋白質(zhì)和核酸)，這些信號分子被鄰近的細(xì)胞接收，然后將信號傳遞給其他細(xì)胞。

多虧了這種交流方式，肌肉、消化系統(tǒng)和大腦才能正常工作。這是免疫系統(tǒng)能夠識別病原體或受感染細(xì)胞并做出相應(yīng)反應(yīng)的唯一途徑——同樣，通過發(fā)出信號來調(diào)動免疫防御。

如果這種細(xì)胞間的信號傳遞出了問題，就可能導(dǎo)致癌癥或自身免疫性疾病等疾病。在生物物理學(xué)家在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的生物傳感器和生物電子學(xué)實驗室工作的Morteza Aramesh說：這就是為什么研究細(xì)胞在什么情況下發(fā)出什么信號很重要，開發(fā)了一種新方法：監(jiān)聽單個細(xì)胞之間的通訊。

創(chuàng)新的納米傳感器

盡管在過去測量這些信號是可能的，但它只能對整個細(xì)胞群的成百上千個細(xì)胞進(jìn)行測量。這些方法對單個細(xì)胞不夠敏感，不能用于單個細(xì)胞，這意味著單個細(xì)胞發(fā)出的信號分子被淹沒在細(xì)胞總數(shù)的平均值中?，F(xiàn)在發(fā)表在科學(xué)期刊《自然納米技術(shù)》上的新方法就可以，科學(xué)家使用了一種被稱為流體力顯微鏡的儀器，該儀器配有一個特殊的懸臂尖端。懸臂梁是一種帶有細(xì)尖端的小杠桿臂，可以用這種顯微鏡掃描表面，比如細(xì)胞表面。

新穎之處在于懸臂梁頂端安裝了一個微型傳感器，它由一個只有幾納米大小的氮化硅孔組成，當(dāng)細(xì)胞釋放分子時，這個孔就會被記錄下來。工作原理：細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運蛋白控制著細(xì)胞釋放信號分子的方式。新納米孔傳感器的直徑非常小，可以精確定位在其中一個轉(zhuǎn)運蛋白上，從而攔截流經(jīng)它的分子。納米孔傳感器能夠測量離子電流，當(dāng)離子或更大的生物分子(如蛋白質(zhì)或核酸)流經(jīng)小孔時，離子電流發(fā)生變化。根據(jù)離子電流變化的性質(zhì)和持續(xù)時間，可以識別出不同的信號分子。

仔細(xì)“監(jiān)聽”單個細(xì)胞

科學(xué)家在大鼠腦組織的活神經(jīng)細(xì)胞上測試了該方法，稱之為掃描納米孔顯微鏡。到目前為止，已經(jīng)能夠區(qū)分單個信號分子，如離子和某些蛋白質(zhì)。生物物理學(xué)家現(xiàn)在計劃進(jìn)一步發(fā)展納米傳感器，以便在未來識別其他信號分子。生物傳感器和生物電子學(xué)實驗室的負(fù)責(zé)人、該論文的最后作者雅諾斯?沃羅斯(Janos Voros)表示：目標(biāo)是最終能夠分析細(xì)胞的所有信號，盡管如此，該方法已經(jīng)可以用于在活細(xì)胞中定位轉(zhuǎn)運蛋白，此外，新開發(fā)的傳感器也讓研究人員能夠觀察細(xì)胞內(nèi)部。

納米傳感器的尖端非常精致，可以穿透細(xì)胞膜而不會造成永久性損傷。在細(xì)胞內(nèi)部，就有可能分析從細(xì)胞核中去除的物質(zhì)，RNA片段在這里特別有趣。提供了對細(xì)胞目前產(chǎn)生哪些蛋白質(zhì)的洞察——這是許多疾病發(fā)病的一個關(guān)鍵因素。該方法為生物學(xué)家提供了研究單個細(xì)胞行為的全新方法，不僅可以區(qū)分患病細(xì)胞和健康細(xì)胞，還可以用于干細(xì)胞的發(fā)育，或用于確定實驗室中的細(xì)胞是否與人體中細(xì)胞行為相同，新方法很可能在未來幫助回答許多其他問題。

博科園｜研究/來自：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊《自然納米技術(shù)》

DOI: 10.1038/s41565-019-0493-z

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