Advanced Biosystems: 用于检测二维及三维体外心肌细胞组织动作电位传导的有机电化学晶体管

生物电在维持正常的机体运作活动中有着重要的位置。以心肌细胞为例,电压门控钠通道基因的异常表可能达会引起长QT间隔综合征等疾病的发生。这种疾病药物的早期研发需要生物传感器作为监控心肌细胞产生和传导电信号的的方法来验证药物在体外的有效性。有机电化学晶体管(OECT)是近年来渐渐被更多人应用的一种传感器。它的灵敏度高,工作电压一般小于1V,有机高分子材料PEDOT:PSS构成的部件可被制成柔性结构,同时亲水性高,是一种生物相容性良好的器件。因此,OECT可用于耦合可兴奋细胞,并测量其动作电位。

香港科技大学化学及生物工程学系的邢怡铭教授课题组和香港大学的合作者们针对OECT在体外培养的心肌组织的电生理测量应用进行了报道。研究者们首先加工出了16通道的OECT阵列,这种设计的电极间距为200 µm, 跨导值平均为2.5 mS, 响应时间在百微秒量级。心肌细胞则直接被培养于器件上,形成细胞与通道的耦合。心肌细胞会自主产生动作电位,改变器件通道上的有效栅极电压值,从而改变器件源、漏之间的电流大小。再者,通过多通道实时测量,可计算出动作电位在二维平面的传导活动。

 

研究者们对多种心肌组织模型的特性和药物反应进行了测量。首先,人多能干细胞来源的心肌细胞(hPSC-CM)单层培养结构的动作电位呈现出单方向的、匀速的传导。加入正变时性药物异丙肾上腺素可使其传导方向改变,以及心率的增加。此外,由原代新生大鼠心肌细胞培养的三维细胞微球也被培养并测量。结果显示三维的细胞结构表现出了非同质性的动作电位信号,也就是电位脉冲的波型在不同位置的形状有差异,同时相较于二维结构的脉冲波型,三维结构在主峰后几百微秒处还拥有一个小的次峰。两峰之间的间距可能对应的是动作电位持续时间这一参数。负变时性药物维拉帕米可缩短这一持续时间。可见,OECT可广泛应用于各种心肌模型。

而为了进一步提高器件的空间分辨率,研究者们设计并成功制作出了一种64通道的OECT原型,达到了100 µm的电极间距和平均1.8 mS的跨导值,可以满足大部分心肌动作电位测量的需求。因此,研究者们相信OECT作为一种新颖且灵敏度高的有机电子传感器件,未来在生物电测量和医学应用中将极具潜力。相关结果发表在Advanced Biosystems( https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adbi.201800248 )上。