卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CMU)和新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種電子元器件生物傳感器技術(shù)，可以三維測(cè)量心臟細(xì)胞結(jié)構(gòu)的電生理學(xué)。生物傳感器陣列基本上圍繞干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞的細(xì)長(zhǎng)球體自動(dòng)滾動(dòng) - 類似于“手掌”環(huán)繞手腕的方式 - 研究人員能夠研究心臟細(xì)胞如何在多細(xì)胞系統(tǒng)中進(jìn)行通信。

該團(tuán)隊(duì)希望器官在電子芯片平臺(tái)可用于評(píng)估新藥，或作為藥物或毒素篩查工具，并提供心律失常(如心律失常)的電生理學(xué)基礎(chǔ)的新見(jiàn)解。“數(shù)十年來(lái)，電生理學(xué)是利用二維表面上的細(xì)胞和培養(yǎng)物進(jìn)行的，例如培養(yǎng)皿，”CMU生物醫(yī)學(xué)工程(BME)和材料科學(xué)與工程(MSE)副教授Tzahi Cohen-Karni博士解釋道。“我們?cè)噲D通過(guò)開(kāi)發(fā)一種收縮包裹心臟細(xì)胞周圍傳感器的方法并從這種組織中提取電生理信息，來(lái)規(guī)避讀取心臟3D電子模式的挑戰(zhàn)。”

Cohen-Karni及其同事在一篇名為“ 器上電子芯片：用于人體電生球體電探查的三維自動(dòng)生物傳感器陣列 ”的論文中報(bào)道了科學(xué)進(jìn)展中的新技術(shù)。

作者寫道，細(xì)胞間通訊是生物系統(tǒng)協(xié)調(diào)和功能的基礎(chǔ)。“在它們?cè)娜S(3D)環(huán)境中，細(xì)胞彼此緊密相連，與周圍的基質(zhì)緊密相連，形成一個(gè)復(fù)雜且高度動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。”然而，迄今為止，實(shí)驗(yàn)室研究主要局限于二維生長(zhǎng)的細(xì)胞。在文化菜肴。然而，正如研究人員指出的那樣，在2D中培養(yǎng)的細(xì)胞在其自然3D環(huán)境中生長(zhǎng)，表現(xiàn)和溝通的方式與那些不同。

研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D自卷式生物傳感器陣列(3D-SR-BA)，可以對(duì)3D干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞球體進(jìn)行電生理測(cè)量。該器件在芯片上的裝置被制成扁平的矩形生物傳感器陣列，可以比作一個(gè)手掌。當(dāng)在張力下平放時(shí)，手掌手鐲具有基本形狀的尺子，但是當(dāng)張力被釋放時(shí)，手鐲在手腕周圍自動(dòng)卷繞。該團(tuán)隊(duì)的3D-SR-BA設(shè)備基于相同的基本原理構(gòu)建。將由金屬電極或石墨烯傳感器制成的一系列生物傳感器連接到芯片表面，然后刮掉稱為犧牲層的鍺底層。一旦將其移除，生物傳感器陣列就被釋放并且卷起以形成桶形結(jié)構(gòu)。

對(duì)于他們報(bào)道的實(shí)驗(yàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種生物傳感器陣列，其將包裹干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞的球狀體，其具有約2-3個(gè)人類毛發(fā)寬度的細(xì)長(zhǎng)類器官的結(jié)構(gòu)。使用該系統(tǒng)的測(cè)試表明，生物傳感器陣列能夠精確記錄由該3D結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào)。作者寫道：“從各個(gè)方面測(cè)量整個(gè)3D結(jié)構(gòu)的電活動(dòng)，為了解整個(gè)結(jié)構(gòu)中的信號(hào)傳播提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。

基本上，我們已經(jīng)創(chuàng)建了3D自動(dòng)滾動(dòng)生物傳感器陣列，用于探索誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來(lái)源的心肌細(xì)胞的電生理學(xué)，”研究第一作者，BME博士生Anna Kalmykov說(shuō)。“這個(gè)平臺(tái)可用于研究心臟組織再生和成熟，例如，可能用于治療心臟病發(fā)作后的受損組織，或開(kāi)發(fā)治療疾病的新藥。”

重要的是，電極的類型和布置以及3D感測(cè)裝置的尺寸和曲率可以被配置為匹配所需的電池類型，3D結(jié)構(gòu)和測(cè)量。“為了獲得所需的曲率，用于構(gòu)造這些裝置的材料的力學(xué)和機(jī)械性能起著核心作用，”研究人員解釋說(shuō)。“3D-SR-BA平臺(tái)非常靈活，可以容納各種傳感器類型，用于組織狀態(tài)的電生理學(xué)研究或組織釋放的生物分子的檢測(cè)。”

“對(duì)卷起過(guò)程的力學(xué)分析使我們能夠精確控制傳感器的形狀，以確保傳感器與心臟組織之間的一致接觸，”NTU教授Jimmy Hsia博士說(shuō)。“該技術(shù)還可以自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器和組織之間微妙'觸摸'的水平，從而測(cè)量高質(zhì)量的電信號(hào)，而不會(huì)因外部壓力而改變組織的生理?xiàng)l件。”

研究人員建議，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大平臺(tái)可以允許3D-SR-BA用于3D系統(tǒng)的長(zhǎng)期電生理學(xué)研究，例如在組織發(fā)育和成熟期間。“此外，它還可以測(cè)試藥物對(duì)患有健康表型的球狀體的影響，”他們指出。

“整個(gè)想法是采用傳統(tǒng)上在平面幾何中完成的方法并在三維中進(jìn)行，”Cohen-Karni總結(jié)道。“我們的器官本質(zhì)上是3D。多年來(lái)，僅使用在2D組織培養(yǎng)皿上培養(yǎng)的細(xì)胞進(jìn)行電生理學(xué)。但現(xiàn)在，這些驚人的電生理學(xué)技術(shù)可以應(yīng)用于3D結(jié)構(gòu)。