
在现有 MEA 上固定三维组织
球状体和类器官的电活动检测需要组织与电极保持接触。维也纳大学(University of Vienna)和 ChanPharm 的团队在 Lab on a Chip 报道 SphereChip,通过微流控装置把三维组织固定在平面多电极阵列(multielectrode array,MEA)上。
装置由收集漏斗、固定漏斗及吸引腔组成。组织经收集漏斗进入记录位置,在温和负压下贴近电极。团队把这种固定结构分别安装在 MCS 和 Axion 的商业 MEA 上,比较不同电极间距下的接触和记录效果。
固定漏斗的出口尺寸需要与组织相匹配。研究所用组织直径约为 400–900 μm,不同大小采用不同结构。每个球状体可以覆盖若干电极,接触数量随组织大小及电极间距变化。
接触建立后,研究先等待信号达到稳定状态,再加入药物。MCS 与 Axion 的电极间距分别为 100 μm 和 300 μm。较高的空间密度便于在单个组织上获得多个记录点,平台也可以配合显微镜同时采集图像。
心脏球状体、神经球状体与心房类器官
心脏球状体由诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞、心脏成纤维细胞和内皮细胞组成,比例分别为 65%、15% 和 20%。第 14 天的球状体直径约 412 μm,可产生较规则的自发电活动。
神经球状体包括兴奋性和抑制性神经元,并加入 10% 星形胶质细胞。第 21 天的直径约 528 μm。团队测量其放电频率、成簇放电及放电变化,观察固定后能否稳定记录神经网络活动。
心房类器官的尺寸更大,约 800–900 μm。它可以被装置固定并获得信号,但基线活动存在较长停顿和不规则节律,因此研究没有继续用这一模型开展药理测试。
固定后心脏球状体的电信号增强
在心脏球状体中,SphereChip 固定后的去极化峰幅度,在 MCS 和 Axion 平台上分别约为传统黏附条件的 6.75 倍和 7.5 倍。传统条件使用纤连蛋白辅助组织在电极表面过夜黏附。
团队同时观察负压、接触时间和组织活力。20 分钟记录中,峰幅变化在 20% 以内,场电位时程变化在 10% 以内;心搏频率的变化幅度相对较大。研究还通过染色检查短时固定后的组织状态。
微流控结构安装后电极阻抗略有增加。两种平台的电极间距不同,较密的电极阵列通常使一个心脏球状体接触到更多记录位点。
安装前后,MCS 的平均电极阻抗由约 630 kΩ 变为 676 kΩ,Axion 对应为约 8.1 kΩ 和 9.9 kΩ。
光学动作电位与电极信号同时测量
心脏药理部分使用 E4031 和 dofetilide,二者都抑制 hERG 通道。研究通过 FluoVolt 电压敏感染料,同时记录光学动作电位和细胞外场电位,比较药物造成的复极变化。
E4031 处理后,动作电位复极至 90% 的时程(APD90)和场电位时程随浓度增加而延长。例如 APD90 由基线约 582 ms,增至 1 μM 条件下约 916 ms。两类记录在同一组织上呈现方向一致的复极变化。
团队根据浓度反应拟合半数效应浓度。在 MCS 平台上,E4031 的光学动作电位指标约为 408 nM,场电位指标约为 220 nM;Axion 的场电位结果约为 238 nM。
同一心脏球状体的场电位晚期峰与光学动作电位的复极阶段相对应。平台同时记录二者,使团队能够直接比较药物处理后的时间变化,检查平面电极信号在三维模型中对应哪些电生理过程。
4-氨基吡啶与 ML213 改变神经网络活动
神经球状体使用 4-氨基吡啶作为增强兴奋性的药理探针。处理后可见放电和成簇活动增加,固定装置能够持续记录这些变化。另一个探针 ML213 激活 Kv7.2/Kv7.3 通道,随浓度增加抑制神经网络活动。
4-氨基吡啶采用 60 μM、3 分钟处理;ML213 的显著抑制出现在 1 μM 及以上。两个商业系统均呈现相应方向的反应。神经记录通过噪声阈值识别单次放电,再用放电间隔分析成簇活动。
心脏试验重点观察复极和心搏节律,神经试验分析放电频率和成簇放电。
作者提出,后续可进一步调整固定装置,使其适配不同三维模型的尺寸和性质,并改进吸引装置、提高压力稳定性。采用更密的电极阵列,则可提高场电位记录的空间分辨率。