近日，施一公院士團(tuán)隊在Bioelectrochemistry期刊上發(fā)表了一篇名為“A microfabricated lab-on-chip with three-dimensional electrodes for microscopic observation of bioelectromagnetic effects of cells”的研究論文。

　　在這篇論文中，施一公團(tuán)隊開發(fā)了一種生物相容性微尺度試驗臺，可以同時進(jìn)行細(xì)胞顯微觀察和低頻電磁刺激。該試驗臺被設(shè)計為超薄玻璃基底上的3D叉指電極。使用近似模型估算了包含細(xì)胞的電磁場試驗臺強(qiáng)度，然后將器件批量制造并組裝到培養(yǎng)皿中。最后，使用完全組裝的試驗臺原型機(jī)進(jìn)行了生物電磁實驗，并在孵育后通過顯微鏡觀察細(xì)胞系。

　　如今，我們的生活環(huán)境中充斥著由手機(jī)、基站和無線路由器等電子設(shè)備產(chǎn)生的人工電磁信號。自20世紀(jì)50年代以來，人工電磁信號的功率通量密度急劇增長，達(dá)到了自然水平的1018倍。這引發(fā)了人們對這種電磁信號對公共健康潛在副作用的日益關(guān)注。

　　實際上，這種電磁信號的生物效應(yīng)已經(jīng)得到了深入的研究和報道。有令人信服的證據(jù)表明，可見光波段以外的電磁輻射可以導(dǎo)致動物行為和病理的變化。然而，這些電磁信號誘導(dǎo)的生物效應(yīng)機(jī)制仍不完全清楚，需要進(jìn)一步探索。

　　地球上生命的進(jìn)化已經(jīng)持續(xù)了超過30億年，各種物種已經(jīng)發(fā)展出感官系統(tǒng)或受體，以利用環(huán)境中各種形式的能量。來自宇宙的和地球上產(chǎn)生的電磁能在自然環(huán)境中是豐富的，其頻率范圍從1Hz以下擴(kuò)展到1015Hz。可以合理推斷，一些物種可能已經(jīng)發(fā)展出某些對這些頻率的電磁輻射有反應(yīng)的生物過程。然而，我們目前對電磁引發(fā)的生物反應(yīng)的知識僅限于那些在接近可見光的狹窄頻率范圍內(nèi)(1014Hz)的電磁信號所激發(fā)的生物反應(yīng)。

　　環(huán)境中最常見的自然電磁場之一是由閃電產(chǎn)生的電磁場，其頻率以10 kHz左右為主。因此，在漫長的進(jìn)化過程中，生物經(jīng)常暴露于這種特定頻率的電磁輻射中，并有可能發(fā)展出相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制。

　　在動物等復(fù)雜生物系統(tǒng)中，系統(tǒng)性的變化(例如報道的由電磁信號引起的生物學(xué)變化)，通常源于細(xì)胞對觸發(fā)因素的反應(yīng)。在這種情況下，體外細(xì)胞實驗是研究這些變化的潛在機(jī)制的一種方便手段。

　　然而，目前市面上可用的細(xì)胞水平的實驗系統(tǒng)大多與電磁刺激不兼容。研究人員通過將直流電刺激或窄帶電磁信號(帶寬最多只有幾十赫茲的電磁波信號)集成到細(xì)胞培養(yǎng)儀器中，為基于細(xì)胞的實驗定制了設(shè)置。但在這些實驗中，電磁刺激的熱效應(yīng)或細(xì)胞與刺激電極直接接觸的影響并沒有被適當(dāng)排除。

　　為了更好地研究電磁刺激的非熱效應(yīng)細(xì)胞反應(yīng)，一個精心設(shè)計的細(xì)胞芯片實驗室系統(tǒng)是必不可少的，它允許在沒有電極污染或可檢測到的溫度干擾的情況下進(jìn)行電磁刺激。

　　目前，可避免電極污染的細(xì)胞電磁刺激的商業(yè)化芯片實驗室系統(tǒng)是醫(yī)療器械公司Novocure(著名的腫瘤電場治療就是由該公司該發(fā))開發(fā)的InovitroTM，它由用于細(xì)胞培養(yǎng)的陶瓷盤和固定在盤底的印刷電路板上的激發(fā)電極組成。然而，由于電極之間的距離較大(2厘米)，該系統(tǒng)實現(xiàn)的場強(qiáng)有限。此外，由于陶瓷盤不透明，該系統(tǒng)對細(xì)胞顯微觀察的兼容性也受到限制。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2023.108554