新藥的開(kāi)發(fā)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要通過(guò)長(zhǎng)周期的測(cè)試來(lái)評(píng)估藥物的心臟毒性以及其他副作用。傳統(tǒng)的評(píng)估方法是使用膜片鉗技術(shù)來(lái)進(jìn)行細(xì)胞的電生理研究，盡管這種方法十分準(zhǔn)確有效，但是其侵入性測(cè)量記錄方法無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定記錄細(xì)胞狀態(tài)，且實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，難以同時(shí)記錄多個(gè)細(xì)胞。因此，為了記錄胞內(nèi)電信號(hào)，必須開(kāi)發(fā)一種高通量、可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定記錄、無(wú)創(chuàng)無(wú)標(biāo)記的傳感系統(tǒng)。

近期，浙江大學(xué)胡寧研究員等在Biosensors and Bioelectronics期刊上發(fā)表題為“Electromechanical integrated recording of single cardiomyocyte in situ by multimodal microelectrode biosensing system”的文章。該研究開(kāi)發(fā)了一種新型的多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)（圖1），能夠動(dòng)態(tài)、高通量地記錄單個(gè)心肌細(xì)胞多位點(diǎn)的電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)，并驗(yàn)證了離子通道阻斷藥物對(duì)單個(gè)心肌細(xì)胞興奮-收縮耦合的影響。該傳感系統(tǒng)體積小、效率高，在心臟生理學(xué)研究和臨床前藥物篩選方面擁有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

圖1 多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)示意圖

1. 多模態(tài)生物傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與組裝

多模態(tài)生物傳感系統(tǒng)的制造是通過(guò)光刻工藝在20mm × 20mm × 1mm的玻璃襯底上刻蝕出32個(gè)直徑為10μm的微電極（圖2a），而后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）固定在印刷電路板（PCB）上。用PDMS將玻璃環(huán)粘在襯底中心作為細(xì)胞培養(yǎng)室，基準(zhǔn)電極固定在塑料蓋上，并與PCB連接，完成器件的組裝（圖2b）。系統(tǒng)硬件部分的核心模塊包括電生理信號(hào)調(diào)理模塊、電阻抗調(diào)理模塊和高速并行數(shù)據(jù)采集模塊，軟件部分通過(guò)編寫(xiě)的LabVIEW程序?qū)Σ杉降男盘?hào)進(jìn)行處理，并計(jì)算電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的頻率和幅值（圖2d和e）。

圖2 多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)的制造

2. 多模態(tài)生物傳感系統(tǒng)的性能表征

該系統(tǒng)的三個(gè)硬件模塊分別用于測(cè)量單個(gè)心肌細(xì)胞的微弱的電信號(hào)、機(jī)械搏動(dòng)信號(hào)以及兩者的集成信號(hào)。對(duì)于電信號(hào)，該測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)?.5Hz-2kHz頻率范圍內(nèi)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，并將各通道的背景噪聲抑制在20μV以下（圖3b和c）；對(duì)于機(jī)械搏動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)能夠通過(guò)測(cè)量和計(jì)算細(xì)胞電阻抗值的變化來(lái)表現(xiàn)，使用30kΩ-300kΩ的電阻校準(zhǔn)，測(cè)量的相對(duì)誤差在0.2%的范圍內(nèi)（圖3g）。

圖3 多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)的性能表征

3. 心肌細(xì)胞生理信號(hào)模型的建立

將大鼠的心肌細(xì)胞置于生物傳感系統(tǒng)中培養(yǎng)，記錄第2-4天的綜合生理信號(hào)（圖4c-e），可以看到在第3天時(shí)心肌細(xì)胞出現(xiàn)規(guī)律性的電生理信號(hào)與機(jī)械搏動(dòng)信號(hào)，并在第4天達(dá)到穩(wěn)定。圖4f記錄了不同通道的機(jī)電信號(hào)，由于測(cè)量位點(diǎn)的不同，信號(hào)峰值出現(xiàn)了延遲。通過(guò)程序提取特征點(diǎn)，計(jì)算機(jī)電信號(hào)的頻率與幅值，從而可以建立心肌細(xì)胞的生理信號(hào)模型。

圖4 心肌細(xì)胞生理信號(hào)模型的建立

4. 離子通道阻斷藥物評(píng)估實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)在藥物測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用，選擇氟卡尼（一種鈉離子通道阻斷劑）來(lái)進(jìn)行藥物實(shí)驗(yàn)。圖5b-e表明，對(duì)比對(duì)照組，600nM氟卡尼處理后的心肌細(xì)胞電信號(hào)與機(jī)械信號(hào)的頻率與幅值均出現(xiàn)下降，該系統(tǒng)能夠檢測(cè)出藥物對(duì)于心肌細(xì)胞的生命活動(dòng)抑制作用。此外，研究人員還將該系統(tǒng)與商用的電生理傳感系統(tǒng)與阻抗傳感系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖5f和g），證明了該系統(tǒng)的功能可用。

圖5 使用生物傳感系統(tǒng)記錄生理信號(hào)評(píng)估離子通道阻斷藥物

綜上所述，該研究開(kāi)發(fā)的新型多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)，允許以高通量和高靈敏度的方式對(duì)單個(gè)心肌細(xì)胞的多個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。通過(guò)對(duì)比其他商用系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)不僅可以同時(shí)記錄電信號(hào)和機(jī)械信號(hào)的集成信號(hào)，而且可以有效地記錄離子通道阻斷藥物對(duì)心肌細(xì)胞興奮-收縮耦合的影響。

原文標(biāo)題：多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)心肌細(xì)胞原位信號(hào)測(cè)量與記錄

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