一战王牌飞行员使用的技术激发了新的细胞行为发现

马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员设计了一项新技术，该技术的灵感来自一战战斗机机枪和螺旋桨同步，通过实时精确调节细胞环境的pH值来操纵细胞行为。正如《纳米快报》所述，他们的发现为创造癌症和心脏病的治疗方法和扩大组织工程领域提供了一条新的途径。麻省大学阿默斯特分校机械和工业工程副教授、该研究的通讯作者平静蕾解释道：“每个细胞都对pH有反应。”。“细胞的行为和功能受到pH值的严重影响。当pH值达到一定水平时，一些细胞会失去活力，对于一些细胞来说，pH值会改变其生理特性。”

之前的研究表明，pH值变化小至0.1个pH单位都会对细胞产生生理上的显著影响

然而，研究pH值变化的直接影响一直具有挑战性，因为现有的改变细胞环境的方法很慢，并且依赖于扩散。平说：“特定细胞如何实时对pH值变化做出反应，这是未知的。”

已经确定，pH值可以用微电极操纵，为设计提供了初始手段，但在测量pH值变化的同时也引入了一个新的障碍：测量pH值的石墨烯晶体管对pH调节微电极的电流也很敏感。平说：“所以，你测量的电流并不特定于pH值。”

这就是平从战斗机机枪和螺旋桨同步中获得灵感的地方。在战斗机中，机枪位于螺旋桨后面。飞机需要在不击中自己螺旋桨的情况下发射子弹。解决方案是机枪与螺旋桨同步，这样快射枪只有在与移动较慢的螺旋桨叶片之间的开口对齐时才能射击

Ping的团队通过短暂关闭改变pH值的电流创造了一个类似的间隙。这个毫秒长的间隙足够大，晶体管可以在不受微电极电流干扰的情况下准确记录pH值，但也足够小，pH值没有时间恢复正常

他们的设备能够以0.1 pH单位的分辨率操纵pH值，远远超过了之前仅达到0.6 pH单位的基于电极的尝试

他们在细菌和心脏细胞上测试了他们的设备。他们发现，随着环境变得更加基本，细菌（枯草芽孢杆菌）的运动会减少。与传统方法相比，新方法更有效。它需要一个样本，在大约9分钟内捕获了9个数据点，而传统方法需要两个小时来收集13个数据点

他们还发现，当环境的pH值从中性（7）降低到酸性（约4）时，心肌细胞的心跳频率会加倍，这突显了该设备有可能促进对代谢性酸中毒（当身体过于酸性时）和心动过速（心脏跳动过快的情况）之间关系的科学理解，并解决心脏病学治疗中的重要问题

“它打开了大门，解决了一个技术问题，也给科学家们带来了很多假设问题，”平说。“我不会说我们已经解决了这些长期问题中的任何一个，但我们提供了一种解决这些问题的工具。”Ping设想这项技术可以应用于生物电子学、组织工程、肿瘤治疗和再生医学 More information: Xiaoyu Zhang et al, Spatiotemporal Cell Control via High-Precision Electronic Regulation of Microenvironmental pH, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04174

Journal information: Nano Letters