微電極陣列（Microelectrode arrays，MEA）是一種廣泛應(yīng)用于體外評(píng)價(jià)心臟和神經(jīng)元等細(xì)胞功能的平臺(tái)，因?yàn)镸EA提供了與細(xì)胞的非侵入性接觸，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的電生理活動(dòng)的高時(shí)空跟蹤。然而，傳統(tǒng)的平面二維（2D）MEA通常構(gòu)造在剛性基底上，并且由于2D表面和3D球形類器官之間的小接觸面積，因此不能全面地捕獲跨類器官的球形表面的電生理活動(dòng)。為了解決這些問題，已經(jīng)引入了由諸如聚酰亞胺（PI）、SU-8和聚對(duì)二甲苯C等材料組成的柔性MEA作為2D MEA的有前景的替代品。這些柔性MEA是為特定尺寸的類器官設(shè)計(jì)的，旨在實(shí)現(xiàn)共形接觸和連續(xù)監(jiān)測(cè)。然而，針對(duì)特定類有機(jī)體的定制設(shè)計(jì)不能擴(kuò)展到不同大小的類有機(jī)體。此外，由于類器官和微電極之間的弱接觸，為非侵入性電生理測(cè)量開發(fā)的柔性MEA遭受低信噪比（SNR）。這種不充分的接觸在類有機(jī)體中的產(chǎn)電細(xì)胞和微電極之間形成了相對(duì)寬的間隙和微弱的連接，導(dǎo)致波形失真和所測(cè)動(dòng)作電位信號(hào)的幅度顯著降低。


類器官是能夠再現(xiàn)人體器官復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的三維生物模型。盡管類器官的生成速度很快，但在體外評(píng)估工具仍然局限于二維形式。因此，對(duì)電活性類器官的全面、連續(xù)功能評(píng)估仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。


為了解決這一問題，近日，韓國(guó)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Hyunjoo J.Lee團(tuán)隊(duì)聯(lián)合韓國(guó)生命科學(xué)技術(shù)研究院Mi-Young Son/Mi-Ok Lee團(tuán)隊(duì)提出了一種高度可伸縮的三維多電極陣列（sMEA），其微電極突出，用于電活性類器官的功能評(píng)估。經(jīng)過優(yōu)化的螺旋結(jié)構(gòu)和橋接結(jié)構(gòu)覆蓋類器官表面，即使在浸潤(rùn)狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋。突出的微電極與類器官形成穩(wěn)定的接觸，允許進(jìn)行高信噪比（SNR）的電生理記錄。


sMEAs能在晶圓級(jí)上制造，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)、可擴(kuò)展和大規(guī)模生產(chǎn)，并包裝在易于使用、用戶友好且堅(jiān)固的微孔板中，以便快速推廣技術(shù)。作者通過測(cè)量心臟球形體和中腦類器官在500至1500微米范圍內(nèi)的不同大小的電生理信號(hào)，驗(yàn)證了sMEA的通用性。此外，高信噪比的電生理信號(hào)記錄能夠?qū)崿F(xiàn)藥物作用的功能評(píng)估。該高信噪比且用戶友好界面的sMEA有望成為高通量藥物篩選、3D時(shí)空電生理器官組織的繪制以及質(zhì)量評(píng)估協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化方面的關(guān)鍵工具。

用于3D產(chǎn)電球體和類器官的可拉伸微電極陣列（sMEA）。


a）由具有突出微電極的sMEA捕獲的類器官的概念圖。B）sMEA的分解圖。c）所制造的sMEA的光學(xué)圖像?？潭瘸撸? mm。d）包裝的sMEA的光學(xué)圖像。刻度尺，1cm。e）支持具有高位移的類器官的sMEA的光學(xué)圖像。比例尺，分別為1 cm和1 mm。f）sMEA底視光學(xué)顯微鏡圖像，其中類器官在頂部。比例尺，1mm.g）具有中腦類器官的sMEA的3D重建熒光圖像。紅色和藍(lán)色分別對(duì)應(yīng)于sMEA（R6G）和細(xì)胞核（Hoechst）。刻度尺，1 mm。

使用FEM模擬優(yōu)化sMEA設(shè)計(jì)。


a）具有最終優(yōu)化值的sMEA的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)。sMEA的最大位移與B）不同數(shù)量的蛇紋（n=2，3，和4），c）寬度的杠桿（W=50，300，和500μm），和d）長(zhǎng)度的杠桿（L=500，1000，和1500μm）為不同大小的forganoids。FEM模擬結(jié)果的側(cè)視圖描繪了當(dāng)將半徑為e）500μm、f）1000μm和g）1500μm的類器官放置在頂部時(shí)sMEA上的位移。

PEDOT：PSS微電極的突起特性


a）在PEDOT：PSS電沉積之前（i）和在PEDOT：PSS電沉積之后（ii）的微電極的光學(xué)顯微鏡圖像（上）和SEM圖像（下）。比例尺，50μm。b）在不同的PEDOT：PSS電沉積時(shí)間下的電化學(xué)阻抗譜。c）在不同的PEDOT：PSS電沉積時(shí)間下，在1kHz下的電化學(xué)阻抗的比較。（n=13）（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。）d）相對(duì)于PEDOT：PSS電沉積時(shí)間的電荷存儲(chǔ)容量。（n=13）（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。）e）在不同的PEDOT：PSS電沉積時(shí)間之后的厚度變化。（n=7）（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）f）中腦類器官的相對(duì)活力。（n=3）（平均值±S.D.，非配對(duì)t檢驗(yàn)）g）對(duì)照組和sMEA組中SOX2陽性細(xì)胞的定量。使用Hoechst進(jìn)行細(xì)胞核染色，并在每個(gè)類器官中定量至少3個(gè)圖像。（n=6）（平均值±S.D.，非配對(duì)t檢驗(yàn)）h）與標(biāo)準(zhǔn)MEA相比，相對(duì)于突出電極的厚度的相對(duì)接觸壓力變化。i）分別在100 s（i）、300 s（ii）和500 s（iii）時(shí)，從涂覆有PEDOT：PSS的sMEA上的心臟球體測(cè)量的動(dòng)作電位信號(hào)。j）i）中測(cè)量的信號(hào)的信噪比。

不同大小心臟球形體電生理信號(hào)的測(cè)量與分析


。a）從直徑為1500μm的心臟球體測(cè)量的電生理信號(hào)的原始電壓跡線（左），圖中紅色虛線框的放大視圖（左）（中），以及從每個(gè)微電極測(cè)量的分類動(dòng)作電位的表示（右）。B）從在a）中心示出的信號(hào)重構(gòu)的3D時(shí)空色彩映射圖像。使用鄰近測(cè)量的信號(hào)對(duì)每個(gè)微電極之間的未測(cè)量信號(hào)進(jìn)行線性內(nèi)插。c）在直徑為1500μm的心臟類球體中測(cè)量的平均動(dòng)作電位的代表性原始跡線及關(guān)鍵參數(shù)。d）搏動(dòng)頻率，e）場(chǎng)電位持續(xù)時(shí)間，f）持續(xù)時(shí)間，g）從直徑為500μm、1000μm和1500μm的心臟球形體中測(cè)量的電生理信號(hào)中提取的峰-峰振幅。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.05，**p<0.01，單因素方差分析）h）心臟類球體大小的代表性相差圖像（比例尺，500μm）和相應(yīng)的免疫熒光圖像，顯示分化的心臟類球體中的β-肌動(dòng)蛋白和TNNT的表達(dá)。比例尺，10μm。

藥物治療過程中心臟類球體電生理信號(hào)變化的分析。


a）用心臟球體進(jìn)行的藥物治療實(shí)驗(yàn)的示意圖和時(shí)間軸。B）ISO處理后，隨時(shí)間推移的電生理信號(hào)的原始電壓跡線。c）ISO處理后，搏動(dòng)率、場(chǎng)電位持續(xù)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和峰-峰振幅隨時(shí)間的變化?；疑⒓t色和藍(lán)色框分別表示ISO處理前、ISO處理后和沖洗后。ISO處理前、ISO處理后1小時(shí)和沖洗后1小時(shí)的d）搏動(dòng)率、e）場(chǎng)電位持續(xù)時(shí)間、f）持續(xù)時(shí)間和g）峰-峰振幅的變化。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.001，單因素方差分析）。

中腦類器官電生理信號(hào)的測(cè)量與分析。


a）在成熟50天后，從中腦類器官測(cè)量的電生理信號(hào)的原始電壓跡線。B）分類的神經(jīng)棘波波形和c）從通道4、10和11記錄的原始電壓跡線提取的棘波率。d）從a）中的紅色虛線框中所示的信號(hào)重建的3D時(shí)空彩色圖圖像。e）在藥物治療前（i）、用加巴嗪（50μm）治療后（ii）和在加巴嗪治療后（iii）進(jìn)行MPTP（100μm）治療后，從通道4、9、10和12測(cè)量的電生理信號(hào)的原始電壓跡線（上）和光柵圖（下）。f）比較藥物治療前、加巴嗪（50μm）治療后和后續(xù)MPTP（100μm）治療后的峰率。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.05，和**p<0.01，單因素方差分析）。g）顯示神經(jīng)標(biāo)記物（MAP2）和多巴胺能神經(jīng)元標(biāo)記物（TH）在對(duì)照和MPTP（100μm）處理的mBO中的表達(dá)的代表性免疫熒光圖像。比例尺，50μm。h）兩組中TH陽性細(xì)胞的定量。對(duì)于熒光計(jì)數(shù)器，使用Hoechst。（n=6）（平均值±S.D.，*p<0.05，非配對(duì)t檢驗(yàn)）。