南科大團隊在新型單細胞感測與操控機器人技術取得新進展！
如果有一項技術，能讓癌細胞“無處藏身”，是不是很厲害？
人體由細胞組成，其中複雜的變化過程，來自細胞中的各種化學反應。一個豌豆大小的腫瘤可以有數十個乃至成百上千個克隆和子細胞，每個細胞的基因突變和基因表達都略有不同。
那麼在肉眼看不見的細胞世界裡，如何使用現代科技手段提高特殊
細胞的鑑別效率呢？
近日，南方科技大學胡程志副教授課題組研發出一款
微納感測及操控自動化系統，可以幫助患者進行疾病的早期診斷和病情進展研究。
該項研究以論文“Robotic Intracellular Electrochemical Sensing for Adherent Cells”為題發表於中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊《Cyborg and Bionic Systems》上。
論文地址：https：//downloads。spj。sciencemag。org/cbsystems/aip/9763420。pdf
先來說說
進行活細胞生理功能研究
的意義，這類研究能夠
從細胞和分子水平上破譯代謝遺傳、免疫缺陷和疾病機理，是細胞生物學研究與發展的關鍵所在。
一般而言，透過測量樣品的熒光訊號能夠實現對細胞的大小、形態、元素含量和內容物等引數進行分析。但熒光探針的使用容易擾亂細胞內的生理特性，就可能會導致細胞損傷。↓↓↓
細胞：我裂開了
而基於奈米探針的細胞內感測，透過
電化學反應測量細胞內目標物質濃度，
為細胞內生化感測提供了一種
無標記（無熒光染色）的測量方法。
同時，由於奈米探針尖端的微小尺寸，
可以將對單個細胞的損傷降至最低。
由於目標尺度上的約束，人工操控難以確定細胞和針尖的相對位置，因此無法穩準快地執行細胞刺入動作，存在耗時、重複性差、效率低等問題。
因此，亟需一種
自動化的微納感測與操控裝置
以完成
細胞檢測，穿刺操控，
該項技術的研發在
活細胞生理行為及功能檢測
等研究中具有重要的應用潛力。
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奈米級感知神器——錐形管狀奈米探針
可準確識別細胞，且具備
高穩定性、高效率、生物相容、多功能化的微納操控技術，
是活細胞微納感測與操控技術發展中至關重要的一環。
說來容易，實施起來卻是難上加難，畢竟這可不是宏觀世界裡的直觀體現，而是以「奈米」為單位。
為解決上述難題，團隊首先設計了一種
針尖約為100 nm的錐型管狀探針，
其尖端具有一個金屬圓環，可作為電化學檢測的工作電極。
此外，顯微感測與操控機器人系統利用具有5nm精度的微型機械臂來控制探針移動，並透過顯微鏡獲取視覺資訊，準確獲得細胞與針尖的位置，就是這個↓↓↓
細胞顯微感測與操控機器人系統圖
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位置感知 —— 細胞定位與針尖定位
為保證探針針尖準確刺入細胞，首先需要對細胞進行識別和定位。為了避免熒光染色對細胞造成影響，系統提出了一種無需熒光染色的細胞識別演算法。
與自動聚焦不同，該演算法將細胞自動定位至一個
離焦平面，使得貼壁細胞和背景之間的灰度差異最大化，從而簡化了細胞識別過程，並提高了細胞識別率。
細胞識別
用於細胞檢測的影象處理過程
此外，在奈米探針針尖自動聚焦的過程中，
如何避免針尖越過聚焦平面並碰撞到細胞底部的培養皿所導致的針尖損壞問題呢？
課題組想了一個新的辦法：透過模板匹配演算法來實現非過沖的自動聚焦，保證了針尖不會越過聚焦平面：
針尖的非過沖定位
由於貼壁細胞的厚度變化很大，
如何精確確定“穿刺針”和細胞的相對高度呢？
課題組採用了基於離子電流反饋的靠近檢測方法。當針尖非常靠近細胞時，尖端會逐漸被細胞堵塞，透過尖端開口的離子電流也會減小，因而可以透過監測離子電流實現針尖與細胞間相對高度的準確感知。
基於離子電流反饋的接近檢測
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穿刺，“探測細胞內的活性氧”
研究人員選擇了
斑馬魚胚胎和人類乳腺癌細胞，
透過奈米探針對其進行穿刺，並且對細胞內活性氧成分進行感測檢測。
實驗結果，證明了奈米探針對ROS具有高選擇性響應，同時探針具備量化檢測不同種細胞的細胞內ROS的能力。
細胞內ROS檢測
人類乳腺癌細胞內ROS檢測
斑馬魚胚胎細胞內ROS檢測
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微納的起源和發展
早在 1959 年，著名物理學家費曼（R。P Feynman）發表了一篇關於微納技術的報告：《自底層構造的豐富結構》（There’s plenty of room at the bottom）。
經過半個多世紀的發展，微納技術的研究和應用已經成為了當今科學技術領域的重要學科之一，並帶動了科學技術在其他領域的巨大進步甚至革命性的突破。
如今，活細胞感測與操控技術的發展與進步，
提供了亞細胞生理事件在時間分辨尺度上的生物資訊，是最清晰、直觀、方便準確的細胞生理研究方式，
也逐漸成為理解生物系統不可或缺的研究工具。
胡程志副教授團隊在此項研究工作中
研製了整合自動化操控技術及細胞內電化學感測為一體的顯微操作機器人系統，
使得細胞內電化學感測技術具備高穩定性、高效率的新特點，為高通量檢測、診斷和分類單細胞內不同形式的生化反應奠定了堅實的基礎，對具有強細胞異質性疾病（如癌症）的進展研究與早期診斷有重要意義。
引用資訊：
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
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作者介紹
南方科技大學機械與能源工程系胡程志副教授，師從微奈米機器人及自動化領域的國際知名學者福田敏男教授。開展面向生物和醫學應用的微納機器人、微流控（microfluidics）器件、微機電系統（MEMS/）技術研究。