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(jìn)行細(xì)胞的電生理研究，盡管這種方法十分準(zhǔn)確有效，但是其侵入性測量記錄方法無法長時間穩(wěn)定記錄細(xì)胞狀態(tài)，且實驗操作復(fù)雜，難以同時記錄多個細(xì)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(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(xì)胞多位點(diǎn)的電信號和機(jī)械信號，并驗證了離子通道阻斷藥物對單個心肌細(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、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(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(jìn)行處理，并計算電信號和機(jī)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(xì)胞的微弱的電信號、機(jī)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(jìn)行放大，并將各通道的背景噪聲抑制在20μV以下（圖3b和c）；對于機(jī)械搏動信號，系統(tǒng)能夠通過測量和計算細(xì)胞電阻抗值的變化來表現(xiàn)，使用30kΩ-300kΩ的電阻校準(zhǔn)，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(xì)胞生理信號模型的建立

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（圖4c-e），可以看到在第3天時心肌細(xì)胞出現(xiàn)規(guī)律性的電生理信號與機(jī)械搏動信號，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，由于測量位點(diǎn)的不同，信號峰值出現(xiàn)了延遲。通過程序提取特征點(diǎn)，計算機(jī)電信號的頻率與幅值，從而可以建立心肌細(xì)胞的生理信號模型。

圖4 心肌細(xì)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(jìn)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(xì)胞電信號與機(jī)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(xì)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(jìn)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(xì)胞的多個位點(diǎn)進(jìn)行電信號和機(jī)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(jī)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(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)，實現(xiàn)單個心肌細(xì)胞原位信號測量與記錄

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