近日，施一公院士團隊在Bioelectrochemistry期刊上發表了一篇名為“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，施一公團隊開發了一種生物相容性微尺度試驗臺，可以同時進行細胞顯微觀察和低頻電磁刺激。該試驗臺被設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胞的電磁場試驗臺強度，然后將器件批量制造并組裝到培養皿中。最后，使用完全組裝的試驗臺原型機進行了生物電磁實驗，并在孵育后通過顯微鏡觀察細胞系。

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

　　實際上，這種電磁信號的生物效應已經得到了深入的研究和報道。有令人信服的證據表明，可見光波段以外的電磁輻射可以導致動物行為和病理的變化。然而，這些電磁信號誘導的生物效應機制仍不完全清楚，需要進一步探索。

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

　　環境中最常見的自然電磁場之一是由閃電產生的電磁場，其頻率以10 kHz左右為主。因此，在漫長的進化過程中，生物經常暴露于這種特定頻率的電磁輻射中，并有可能發展出相應的反應機制。

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

　　然而，目前市面上可用的細胞水平的實驗系統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)集成到細胞培養儀器中，為基于細胞的實驗定制了設置。但在這些實驗中，電磁刺激的熱效應或細胞與刺激電極直接接觸的影響并沒有被適當排除。

　　為了更好地研究電磁刺激的非熱效應細胞反應，一個精心設計的細胞芯片實驗室系統是必不可少的，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行電磁刺激。

　　目前，可避免電極污染的細胞電磁刺激的商業化芯片實驗室系統是醫療器械公司Novocure(著名的腫瘤電場治療就是由該公司該發)開發的InovitroTM，它由用于細胞培養的陶瓷盤和固定在盤底的印刷電路板上的激發電極組成。然而，由于電極之間的距離較大(2厘米)，該系統實現的場強有限。此外，由于陶瓷盤不透明，該系統對細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