研究背景与意义
细胞凋亡（apoptosis）是调控器官发育、免疫平衡、清除缺陷细胞的核心机制，在癌症发生中扮演关键角色——癌症往往源于凋亡逃逸。现代癌症疗法（如放疗、化疗、手术）均以诱导肿瘤细胞凋亡为目标。顺铂（cisplatin）作为首款铂类抗癌药，已广泛用于头颈癌、间皮瘤、非小细胞肺癌等治疗。然而，细胞凋亡率监测仍是生物医学基础需求，目前主流流式细胞术（Flow Cytometry, FC）依赖荧光标记抗体，耗时长、成本高、破坏性强（一次性使用），无法实现原位实时监测。
太赫兹（THz）超材料传感器因其光子能量低（无电离辐射）、生物分子转动/振动模态丰富、场局域化强，成为无标记生物探测新兴利器。但现有THz传感器多局限于介质变化检测，鲜有应用于活细胞动态监测。
核心突破
南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所金飙兵教授、医学院侯亚义教授研究组最近在太赫兹医学应用研究方面取得新进展，他们合作报道了一种新型、简易监控细胞凋亡率的柔性生物传感器。该生物传感器对细胞无标记、无损害，是一种原位测量，可通过测量传感器谐振频率的变化反应细胞的凋亡率以及细胞状态的改变（如图1所示）。
该工作受到超导电子学研究所吴培亨院士和各位老师的大力支持，并得到国家科技部973项目以及国家自然科学基金（创新群体、面上项目、青年基金）等的资助。
关键创新
传感器由五环同心金环阵列在10 μm厚聚酰亚胺（PI）衬底上制备而成，产生多谐振峰（类似电磁诱导透明EIT）。置于培养板底部，与细胞共培养，利用THz时域光谱（TDS）监测谐振频率漂移（Δf），实现凋亡率量化。核心在于：细胞凋亡导致细胞脱离传感器表面→有效介电常数降低→谐振频率线性蓝移。
实验验证与极致性能
· 浓度依赖：口腔癌细胞（HSC3）与正常细胞（HaCaT）覆盖率随浓度增加，Δf饱和于6×10⁵ cells/ml（单层覆盖）。
· 癌细胞区分：癌细胞诱导更大Δf，可能源于结构/含水量差异。
· 凋亡监测：顺铂处理SCC4细胞0–96 h，四谐振峰Δf与FC凋亡率线性相关（R²>0.99）。
· 灵敏度：单元格上1–数个细胞即可检测；24 h低凋亡率（<5%）仍分辨清晰。
· 优势：无标记（零荧光抗体消耗）、非破坏（细胞可继续培养）、实时（反射TDS可箱内监测）、可重复（酒精消毒）。
科学意义与应用前景
1. 桥接THz技术与细胞生物学：首次证明THz超材料可作为廉价、无损细胞凋亡监测工具。
2. 颠覆传统FC：从“标记、破坏、离体”到“无标、原位、实时”，成本降至1/100，通量提升。
3. 广阔前景：
· 抗癌药物筛选：高通量实时评估化疗药效；
· 肿瘤耐药监测：动态追踪细胞状态演化；
· 干细胞研究：无损观察分化/凋亡过程；
· 组织工程：实时质控细胞活力；
· 便携诊断：柔性衬底+手持TDS，实现床旁即时检测。
图文导读
图1：传感器传输特性与测量示意图
(a) 裸传感器透射谱，展示四谐振峰。(b) THz-TDS系统测量细胞覆盖传感器的示意图。
图2：细胞浓度依赖的频率偏移
(a) HSC3癌细胞Δf随浓度增加后饱和。(b) HaCaT正常细胞类似，但Δf较小。(c) 2×10⁵ cells/ml（左）和6×10⁵ cells/ml（右）细胞显微照片，证实单层覆盖。
图3：流式细胞术凋亡率测量
(a) 顺铂处理0–96 h SCC4细胞FC图。（b）凋亡率随时间曲线。（c）结晶紫染色显微照片，证实顺铂诱导形态变化与增殖抑制。
图4：THz透射谱演化
顺铂/对照组0–96 h THz谱，峰振幅与频率随凋亡变化。
图5：凋亡率与频率偏移线性关系
(a) 对照组Δf随时间增加（细胞增殖）。(b) 顺铂组Δf微降（凋亡导致脱离）。(c) 相对Δf与凋亡率线性，四峰一致。
论文信息
成果以“Label-free measurements on cell apoptosis using a terahertz metamaterial-based biosensor”为题，发表于Applied Physics Letters（影响因子4.0）
文献来源
Caihong Zhang, Lanju Liang, Liang Ding, Biaobing Jin*, Yayi Hou*, Chun Li, Ling Jiang, Weiwei Liu, Wei Hu, Yanqing Lu, Lin Kang, Weiwei Xu, Jian Chen, Peiheng Wu. “Label-free measurements on cell apoptosis using a terahertz metamaterial-based biosensor” Appl. Phys. Lett. 108, 241105 (2016)
DOI: 10.1063/1.4954015