微型“漫游者”在不伤害细胞的情况下探索细胞
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当德比娜·萨卡尔（Deblina Sarkar）想要将其实验室的新发明命名为“细胞漫游器”（Cell Rover）时，她的学生们却有些犹豫。“他们觉得，‘这个名字似乎对一种科学科技来说太酷了’。”她解释道。但萨卡尔，这位麻省理工学院的纳米技术专家，希望这个微型设备的名字能唤起对未知世界的探索感。然而，这款漫游器并不是在行星表面漫游，而是将进入活细胞的内部。近年来的工程进展使科学家们能够将电子产品缩小到细胞尺度，希望能利用这些设备去探索和操控单个细胞的内部结构。然而，这种漫游器需要接收指令并传输信息——而与如此微小的设备进行通信非常困难。“将天线微型化到能放入细胞中的程度，是一个关键挑战。”萨卡尔表示。这个问题涉及到电磁波——大多数传统天线，比如手机中的天线，就是通过电磁波来传输和接收数据的。天线在所谓的“共振频率”下工作效果最佳，而这一频率的波长大致等于天线本身的长度。由于波速、频率与波长之间的数学关系，波长越短的波，频率就越高。不幸的是，细胞内的天线必须极其微小，因此它需要高频的微波范围。而这些信号，就像家用微波炉的波束一样，会“直接把细胞烤熟”，萨卡尔说道。但她和她的同事们认为他们找到了一个解决办法。在一篇发表于《自然通讯》（Nature Communications）的论文中，他们描述了一种新型天线设计，这种天线通过与声波共振而非电磁波共振，能够在细胞内安全运行。一个功能正常的天线可以帮助科学家为细胞内的微型漫游传感器提供能量，并与之通信，从而帮助他们更好地理解细胞这一基本单位，或许还能带来新的医疗治疗方法。萨卡尔和她的团队使用了一种“磁致伸缩”材料制造了他们的实验性天线——这种材料在暴露于磁场时会改变形状。研究人员选择了一种铁、镍、硼和钼的合金材料，这种合金在其他类型的传感器中已经广泛应用。当这种磁致伸缩天线被置于交变电流磁场中时，其分子的南北极会随着磁场的变化而不断变换方向，从而拉伸材料。这种运动会使天线像一个小音叉一样振动。像任何磁性材料一样，天线会在外界磁场下产生自身的磁场，但由于它在振动，其运动会以接收器能够探测的方式改变新的磁场。这使得双向通信成为可能。传统天线与“细胞漫游器”之间的一个关键区别，是将电磁波转化为声波。“他们的天线并不是基于光的波长进行共振，而是基于声音的波长。”一位未参与这项研究的莱斯大学神经工程师雅各布·罗宾逊（Jacob Robinson）解释道。就像更大的传统天线一样，当波长等于其长度时，细胞漫游器也达到其共振频率——但激发这一频率的波是声波，而声波的传播速度比电磁波慢得多。由于波长与频率之间的关系还取决于波速，因此具有相同波长的声波和电磁波其频率是不同的。换句话说，外部的磁场可以使用不在有害微波范围内的频率波来向细胞漫游器发送信号。“这是一种聪明的办法，”罗宾逊说。研究人员首先在空气和水中测试了这种细胞漫游器，发现其运行频率比等效的电磁天线低1万倍——足以避免杀死活细胞。接下来，他们在一个活体系统中进行了测试：非洲爪蟾的卵细胞，这是一种常用的模式生物。由于细胞漫游器是由磁性材料制成的，研究人员可以使用磁铁将它拉入每一个测试细胞中。插入后，在显微镜下观察，这些卵细胞看起来很健康，并未出现任何泄漏。在卵细胞内部，细胞漫游器能够接收电磁波传输，并向外发送响应信号，最远距离达到一厘米。研究人员还向同一细胞内添加了多个不同尺寸的细胞漫游器，并发现他们可以区分各个漫游器的传输信号。尽管在缩小细胞漫游器方面取得了进展，但原型设备本身仍然相对较大。它们的长度超过400微米（0.4毫米），对于许多细胞类型来说，这个尺寸仍然太大，无法进入其中。因此，科学家们通过计算模拟了一种大约20倍小的天线运行情况。他们发现这些假设中的漫游器可以保持类似的通信范围——不过目前他们还尚未制造出这些设备。罗宾逊表示，为了使这种设备能够在活体生物中工作，其通信范围也必须进一步扩大。“我认为还需要更多的工作来增加功能，”罗宾逊补充道。“它们目前还没有做任何与生物学相关的事情。”到目前为止，科学家们只证明了细胞漫游器在理论上能够工作，他们用它发送的是空白信号；这种传输可以被类比为电视的杂音。接下来，他们将尝试确定他们能“观看”什么样的“节目”，方法是为漫游器配备可以收集并传递其周围环境信息的微型仪器。例如，他们可能会为漫游器添加一层简单的聚合物涂层，这种材料能够结合附近的离子或蛋白质。当这些物质附着在聚合物上时，会改变细胞漫游器的质量，进而改变它产生的声学振动。通过测量这些变化，研究人员可以评估一个细胞的蛋白质或离子水平。细胞漫游器也可以被改造用于更复杂的应用。未来或许可以用这类设备来摧毁癌细胞，通过电改信号通路来影响细胞分裂或分化，甚至作为其他微型设备的电源。“我们不仅可以进行细胞内感知和调节细胞内的活动，而且我们还可以为纳米电子电路供电，”萨卡尔说道。这些微小的电子设备也可以像其更大的同名设备一样，为细胞漫游器提供探索之旅的指引：它们可以分析传感器数据，并在没有科学家干预的情况下修改细胞环境。“总有一天，它能够做出自主决策，”萨卡尔说道。“前景是无限的。”
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