新藥的開發(fā)是一個漫長的過程，需要通過長周期的測試來評估藥物的心臟毒性以及其他副作用。傳統(tǒng)的評估方法是使用膜片鉗技術(shù)來進行細胞的電生理研究，盡管這種方法十分準確有效，但是其侵入性測量記錄方法無法長時間穩(wěn)定記錄細胞狀態(tài)，且實驗操作復(fù)雜，難以同時記錄多個細胞。因此，為了記錄胞內(nèi)電信號，必須開發(fā)一種高通量、可長時間穩(wěn)定記錄、無創(chuàng)無標記的傳感系統(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），能夠動態(tài)、高通量地記錄單個心肌細胞多位點的電信號和機械信號，并驗證了離子通道阻斷藥物對單個心肌細胞興奮-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、制造與組裝

多模態(tài)生物傳感系統(tǒng)的制造是通過光刻工藝在20mm × 20mm × 1mm的玻璃襯底上刻蝕出32個直徑為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胞培養(yǎng)室，基準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，軟件部分通過編寫的LabVIEW程序?qū)Σ杉降男盘栠M行處理，并計算電信號和機械信號的頻率和幅值（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)的三個硬件模塊分別用于測量單個心肌細胞的微弱的電信號、機械搏動信號以及兩者的集成信號。對于電信號，該測量系統(tǒng)能夠?qū)?.5Hz-2kHz頻率范圍內(nèi)的微弱信號進行放大，并將各通道的背景噪聲抑制在20μV以下（圖3b和c）；對于機械搏動信號，系統(tǒng)能夠通過測量和計算細胞電阻抗值的變化來表現(xiàn)，使用30kΩ-300kΩ的電阻校準，測量的相對誤差在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. 心肌細胞生理信號模型的建立

將大鼠的心肌細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（圖4c-e），可以看到在第3天時心肌細胞出現(xiàn)規(guī)律性的電生理信號與機械搏動信號，并在第4天達到穩(wěn)定。圖4f記錄了不同通道的機電信號，由于測量位點的不同，信號峰值出現(xiàn)了延遲。通過程序提取特征點，計算機電信號的頻率與幅值，從而可以建立心肌細胞的生理信號模型。

圖4 心肌細胞生理信號模型的建立

4. 離子通道阻斷藥物評估實驗

為了驗證該系統(tǒng)在藥物測試領(lǐng)域的應(yīng)用，選擇氟卡尼（一種鈉離子通道阻斷劑）來進行藥物實驗。圖5b-e表明，對比對照組，600nM氟卡尼處理后的心肌細胞電信號與機械信號的頻率與幅值均出現(xiàn)下降，該系統(tǒng)能夠檢測出藥物對于心肌細胞的生命活動抑制作用。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)的檢測結(jié)果進行對比（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)記錄生理信號評估離子通道阻斷藥物

綜上所述，該研究開發(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單個心肌細胞的多個位點進行電信號和機械信號的動態(tài)測量。通過對比其他商用系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)不僅可以同時記錄電信號和機械信號的集成信號，而且可以有效地記錄離子通道阻斷藥物對心肌細胞興奮-收縮耦合的影響。

原文標題：多模態(tài)微電極生物傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)單個心肌細胞原位信號測量與記錄

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