硅–聚合物芯片的神经电活动与 pH 传感验证
在同一器件上分别确认标准溶液 pH 检测和人源神经细胞电活动记录能力。
用途与模型
- 研究用途
- 为体外神经药物反应和培养环境监测提供器件功能依据。
- 模型与细胞来源
- LUMC0114iCTRL01（LUMCi003-A）人诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSC）来源皮层神经细胞；pH 校准采用标准缓冲液。
- 方法版本
- 2023 年单电极神经记录与独立标准缓冲液校准版本
- 实验形式
- 透明聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）培养区与硅框架集成浮栅场效应晶体管（floating-gate field-effect transistor，FG-FET）及微电极；两种感测模式分别验证。
材料与平台
- 传感器与记录设备
- 天然氧化钛表面电荷传感单元、便携 pH 测量模块及商业微电极阵列（microelectrode array，MEA）记录系统。
- 细胞与功能对照
- iPSC 来源皮层神经细胞；自发放电与 picrotoxin 参考药理干预后的记录比较。
- 校准液
- pH 4、7、9 标准缓冲液，另在另一传感器上测试 0.1 个 pH 单位变化。
测量指标与分析
- 溶液 pH 引起的电流变化
- 标准液更换后的响应时间及可逆性
- 神经细胞放电率
- 参考药理干预后的簇发样活动
pH 模式先作标准液校准；神经模式记录细胞外电信号，采用滤波及幅度阈值识别放电，比较干预前后的平均放电率。
研究设计与结果
方法可行性研究
- 研究设计
- 标准溶液校准与单微电极神经活动记录两项器件功能验证。
- 测试范围
- pH 响应时间来自 15 次测量；神经放电均值来自 3 次记录，细胞分化 7 天后成熟 14 天。
- 参照体系
- 不同 pH 标准液、传感器初始状态，以及神经活动干预前后。
- 研究结果
- pH 平均响应时间为 5.48 秒，标准差为 1.3 秒，并能检测 0.1 个 pH 单位变化。参考药理干预后，平均放电率由 0.31 ± 0.10 Hz 增至 1.38 ± 0.25 Hz，并出现簇发样事件。
适用条件与研究局限
- 两种模式分别验证；同步 pH 与神经电活动、真实细胞培养液 pH 时间过程尚未完成。
- 药理实验用于确认记录能力，没有建立多药物筛选或疾病预测性能。
- 3 次记录不是 3 位独立供者；采用一条主要 iPSC 细胞系和少量电极。
- 不同传感器需单独校准，多电极工作可能产生串扰和噪声。
来源与原文
- An organ-on-chip device with integrated charge sensors and recording microelectrodes原始研究 · Scientific Reports · 2023-05-18