器官在芯片上生物传感器收缩包裹心脏细胞

卡内基梅隆大学(CMU)和新加坡南洋理工大学(NTU)的研究人员开发了一种电子元器件生物传感器技术，可以三维测量心脏细胞结构的电生理学。生物传感器阵列基本上围绕干细胞衍生的心肌细胞的细长球体自动滚动 - 类似于“手掌”环绕手腕的方式 - 研究人员能够研究心脏细胞如何在多细胞系统中进行通信。

该团队希望器官在电子芯片平台可用于评估新药，或作为药物或毒素筛查工具，并提供心律失常(如心律失常)的电生理学基础的新见解。“数十年来，电生理学是利用二维表面上的细胞和培养物进行的，例如培养皿，”CMU生物医学工程(BME)和材料科学与工程(MSE)副教授Tzahi Cohen-Karni博士解释道。“我们试图通过开发一种收缩包裹心脏细胞周围传感器的方法并从这种组织中提取电生理信息，来规避读取心脏3D电子模式的挑战。”

Cohen-Karni及其同事在一篇名为“ 器上电子芯片：用于人体电生球体电探查的三维自动生物传感器阵列 ”的论文中报道了科学进展中的新技术。

作者写道，细胞间通讯是生物系统协调和功能的基础。“在它们原生的三维(3D)环境中，细胞彼此紧密相连，与周围的基质紧密相连，形成一个复杂且高度动态的系统。”然而，迄今为止，实验室研究主要局限于二维生长的细胞。在文化菜肴。然而，正如研究人员指出的那样，在2D中培养的细胞在其自然3D环境中生长，表现和沟通的方式与那些不同。

研究人员开发了一种3D自卷式生物传感器阵列(3D-SR-BA)，可以对3D干细胞衍生的心肌细胞球体进行电生理测量。该器件在芯片上的装置被制成扁平的矩形生物传感器阵列，可以比作一个手掌。当在张力下平放时，手掌手镯具有基本形状的尺子，但是当张力被释放时，手镯在手腕周围自动卷绕。该团队的3D-SR-BA设备基于相同的基本原理构建。将由金属电极或石墨烯传感器制成的一系列生物传感器连接到芯片表面，然后刮掉称为牺牲层的锗底层。一旦将其移除，生物传感器阵列就被释放并且卷起以形成桶形结构。

对于他们报道的实验，研究人员开发了一种生物传感器阵列，其将包裹干细胞衍生的心肌细胞的球状体，其具有约2-3个人类毛发宽度的细长类器官的结构。使用该系统的测试表明，生物传感器阵列能够精确记录由该3D结构中的细胞产生的电信号。作者写道：“从各个方面测量整个3D结构的电活动，为了解整个结构中的信号传播提供了独特的机会。

基本上，我们已经创建了3D自动滚动生物传感器阵列，用于探索诱导多能干细胞来源的心肌细胞的电生理学，”研究第一作者，BME博士生Anna Kalmykov说。“这个平台可用于研究心脏组织再生和成熟，例如，可能用于治疗心脏病发作后的受损组织，或开发治疗疾病的新药。”

重要的是，电极的类型和布置以及3D感测装置的尺寸和曲率可以被配置为匹配所需的电池类型，3D结构和测量。“为了获得所需的曲率，用于构造这些装置的材料的力学和机械性能起着核心作用，”研究人员解释说。“3D-SR-BA平台非常灵活，可以容纳各种传感器类型，用于组织状态的电生理学研究或组织释放的生物分子的检测。”

“对卷起过程的力学分析使我们能够精确控制传感器的形状，以确保传感器与心脏组织之间的一致接触，”NTU教授Jimmy Hsia博士说。“该技术还可以自动调节传感器和组织之间微妙'触摸'的水平，从而测量高质量的电信号，而不会因外部压力而改变组织的生理条件。”

研究人员建议，进一步开发和扩大平台可以允许3D-SR-BA用于3D系统的长期电生理学研究，例如在组织发育和成熟期间。“此外，它还可以测试药物对患有健康表型的球状体的影响，”他们指出。

“整个想法是采用传统上在平面几何中完成的方法并在三维中进行，”Cohen-Karni总结道。“我们的器官本质上是3D。多年来，仅使用在2D组织培养皿上培养的细胞进行电生理学。但现在，这些惊人的电生理学技术可以应用于3D结构。

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