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頂(ding)刊(kan)研究！微電(dian)極(ji)陣(zhen)列實(shi)現心臟(zang)類器官360°電生理(li)信號(hao)采(cai)集分(fen)析(xi)

更新(xin)時(shi)間(jian)：2025-10-20

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在心血管(guan)疾病研究領(ling)域，人類誘導多(duo)能(neng)幹細胞(bao)（iPSC）衍生的心臟(zang)類器官因其能(neng)模(mo)擬心臟(zang)早(zao)期發(fa)育和疾(ji)病(bing)特征而備(bei)受(shou)關(guan)註。然(ran)而，傳統(tong)二維(wei)微(wei)電極(ji)陣(zhen)列僅能(neng)記(ji)錄平(ping)面信號(hao)，無法(fa)捕捉心臟(zang)類器官中(zhong)電信號(hao)的(de)三(san)維傳(chuan)播(bo)動態，限(xian)制(zhi)了其在心律失常等復雜(za)疾(ji)病(bing)建模中(zhong)的應(ying)用。

近日(ri)，約翰(han)斯·霍(huo)普(pu)金(jin)斯大學(xue)科(ke)研團(tuan)隊(dui)成(cheng)功開發(fa)出(chu)具(ju)有(you)可編(bian)程(cheng)特性(xing)的(de)形狀自(zi)適應(ying)殼(ke)裝微電極(ji)陣(zhen)列（shell MEA），實(shi)現了對(dui)三(san)維心臟(zang)類器官（Cardiac Organoids）的高(gao)時(shi)空(kong)分(fen)辨(bian)率電(dian)生理(li)信號(hao)采(cai)集與分(fen)析(xi)。該(gai)成(cheng)果(guo)以"3D Spatiotemporal Electrophysiology of Cardiac Organoids Using Shell Microelectrode Arrays"為(wei)題發(fa)表(biao)在國(guo)際(ji)頂級(ji)期刊(kan)《Advanced Materials》上(shang)。

技術(shu)背景與創(chuang)新(xin)設(she)計(ji)

心臟(zang)類器官通(tong)過(guo)自(zi)組(zu)裝形成具(ju)有(you)腔(qiang)室樣(yang)結(jie)構(gou)的(de)微組織(zhi)，能(neng)夠(gou)自(zi)發跳動並模擬心臟(zang)的電(dian)生理(li)特性(xing)。然(ran)而，傳統(tong)電(dian)生理(li)記(ji)錄技術如二維(wei)微(wei)電極(ji)陣(zhen)列或(huo)膜片鉗存(cun)在明顯不(bu)足(zu)：二維(wei)陣(zhen)列僅能(neng)捕獲類器官基底表(biao)面的信號(hao)，而膜片鉗需(xu)要(yao)解離(li)類器官，破(po)壞其三(san)維結(jie)構(gou)且(qie)無法(fa)進(jin)行(xing)長(chang)期(qi)觀(guan)測。光(guang)學(xue)成(cheng)像(xiang)技(ji)術雖(sui)能(neng)提(ti)供(gong)部分(fen)時(shi)空(kong)信息，但(dan)易(yi)受光漂白(bai)和光(guang)毒(du)性(xing)影響，且穿透(tou)深度有限(xian)。

研究團(tuan)隊(dui)基(ji)於自折(zhe)疊(die)雙(shuang)分(fen)子(zi)層原(yuan)理(li)，設(she)計(ji)了壹(yi)種(zhong)shell MEA。該(gai)陣(zhen)列由四(si)個十(shi)字形片(pian)段組(zu)成(cheng)，可在水(shui)溶(rong)液中(zhong)自主折(zhe)疊成(cheng)籠狀(zhuang)結(jie)構(gou)，包(bao)裹整個類(lei)器官表(biao)面，其光(guang)學(xue)透(tou)明性(xing)允(yun)許(xu)同時(shi)進(jin)行(xing)鈣離(li)子(zi)成像(xiang)，驗(yan)證(zheng)電生理(li)傳(chuan)播(bo)模(mo)式(shi)。其核(he)心創新(xin)包(bao)括(kuo)：

定(ding)制化幾(ji)何(he)結(jie)構(gou)：可調(tiao)整(zheng)電(dian)極(ji)布(bu)局，適應(ying)不(bu)同(tong)尺寸(cun)（0.5–1.5 mm直徑(jing)）的類器官；
高(gao)密度(du)電極(ji)分(fen)布(bu)：16個(ge)電(dian)極(ji)均勻(yun)覆(fu)蓋(gai)類(lei)器官上(shang)、中(zhong)、下區(qu)域，確保全表(biao)面信號(hao)采(cai)集。

圖1. shell MEA與3D打(da)印(yin)微(wei)孔集成(cheng)用於心臟(zang)類器官封裝。

制造技(ji)術與性(xing)能(neng)優化

shell MEA的(de)制造采(cai)用五(wu)層光(guang)刻掩(yan)模(mo)工藝，在石(shi)英(ying)晶圓(yuan)上(shang)逐層沈(chen)積鍺(zhe)犧牲層、SU-8絕緣層(ceng)、金電(dian)極(ji)和導(dao)電(dian)聚(ju)合物(wu)PEDOT:PSS塗層(ceng)。通(tong)過(guo)調(tiao)控SU-8雙(shuang)分(fen)子(zi)層的(de)交(jiao)聯(lian)度和厚(hou)度(du)，可實(shi)現可控的(de)折疊角度(du)和時(shi)間(jian)。

團(tuan)隊(dui)采(cai)用摩(mo)方精(jing)密microArch^® S240 （精(jing)度(du)：10μm）高(gao)精(jing)度(du)3D打(da)印(yin)機和生物(wu)相容性(xing)樹脂（BIO）材料制(zhi)造定(ding)制化微(wei)孔板，確(que)保類(lei)器官精(jing)準定位到(dao) shell MEA中(zhong)心。微孔板通(tong)過(guo)UV固(gu)化後，與shell MEA基(ji)底牢固粘(zhan)合，形成(cheng)完(wan)整的檢測系(xi)統。這壹(yi)技(ji)術(shu)突(tu)破(po)避(bi)免(mian)了(le)傳(chuan)統手動操作(zuo)的(de)誤差(cha)，為(wei)高(gao)通(tong)量應(ying)用奠定了(le)基礎(chu)。

圖(tu)2. shell MEA制備(bei)及(ji)電(dian)化學(xue)特性(xing)表(biao)征。

長(chang)期(qi)監測與藥(yao)物(wu)響應(ying)分(fen)析(xi)

為(wei)驗(yan)證(zheng)殼(ke)層(ceng)MEA在心臟(zang)毒性(xing)篩(shai)選(xuan)中(zhong)的應(ying)用潛力(li)，團(tuan)隊(dui)測試(shi)了9天內(nei)異(yi)丙(bing)腎(shen)上(shang)腺(xian)素（正(zheng)性(xing)肌(ji)力(li)藥(yao)物(wu)）、E-4031（hERG通(tong)道(dao)阻滯(zhi)劑）和血清(qing)素對(dui)心肌(ji)類器官電生理(li)參(can)數(shu)的影響：

異丙(bing)腎(shen)上(shang)腺(xian)素（10 μM）導致場(chang)電位振(zhen)幅增(zeng)加81%、跳(tiao)動頻率上(shang)升84%、場(chang)電位持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)延(yan)長(chang)12%，符(fu)合其正(zheng)性(xing)變(bian)時(shi)和變(bian)力(li)作(zuo)用(yong)；
E-4031（1 μM）引起頻率下降34%、持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)延(yan)長(chang)64%，模(mo)擬了心律失常風(feng)險；這些(xie)結果(guo)與臨(lin)床前(qian)數(shu)據壹(yi)致，驗(yan)證(zheng)了 shell MEA在藥(yao)物(wu)心臟(zang)毒性(xing)評(ping)估中(zhong)的可靠(kao)性(xing)。

圖3. shell MEA的(de)特性(xing)分(fen)析(xi)，用(yong)於(yu)優化心臟(zang)類器官的電(dian)生理(li)記(ji)錄。

圖(tu)4. 連(lian)續(xu)記(ji)錄與藥(yao)理(li)響應(ying)監測。

三(san)維激活(huo)映(ying)射與傳(chuan)導(dao)速(su)度分(fen)析(xi)

通(tong)過(guo)檢測局部激活(huo)時(shi)間(jian)（LAT），團(tuan)隊(dui)生成了(le)高(gao)分(fen)辨(bian)率三(san)維等時(shi)線圖。基(ji)於最大斜(xie)率法(fa)（非(fei)振(zhen)幅法(fa)）的(de)LAT檢測準確率達(da)87.5%，顯著優於傳統方(fang)法(fa)（69.6%）。插(cha)值(zhi)算(suan)法(fa)（徑(jing)向(xiang)基(ji)函(han)數(shu)）將16個(ge)電極(ji)數(shu)據轉(zhuan)化為(wei)全表(biao)面激活(huo)序(xu)列，揭示類器官內電(dian)信號(hao)傳(chuan)播(bo)路徑（如從(cong)左至右(you)，延(yan)遲約15 ms）。

更重要(yao)的是(shi)，殼(ke)層(ceng)MEA的透(tou)明性(xing)允(yun)許(xu)同步鈣成像(xiang)驗(yan)證(zheng)。對(dui)比顯示，三(san)維電(dian)生理(li)映(ying)射與鈣成像(xiang)激活(huo)圖(tu)高(gao)度(du)相關，但(dan)三(san)維映(ying)射測得的(de)傳導速(su)度(du)（CV）更高(gao)。這種(zhong)差(cha)異(yi)源(yuan)於鈣成像(xiang)的(de)時(shi)空(kong)分(fen)辨(bian)率限(xian)制(zhi)及(ji)二維(wei)投(tou)影的(de)片(pian)面性(xing)，突(tu)顯了三(san)維全表(biao)面記(ji)錄的優勢(shi)。

圖5. 自發性(xing)跳(tiao)動的心臟(zang)類器官的三(san)維活(huo)化映(ying)射。

在異(yi)丙(bing)腎(shen)上(shang)腺(xian)素處理(li)後，三(san)維CV映(ying)射進(jin)壹步顯示傳導(dao)加速(su)（均值(zhi)從(cong)5.12升(sheng)至6.28 cm/s），且傳(chuan)播(bo)模(mo)式(shi)呈現區(qu)域異質(zhi)性(xing)，提(ti)示類器官內細(xi)胞(bao)類型分(fen)布(bu)不(bu)均。這種(zhong)空(kong)間(jian)分(fen)辨(bian)能(neng)力(li)為研究心律失常機制（如傳導(dao)阻滯(zhi)或(huo)折(zhe)返）提供(gong)了新(xin)工具(ju)。

圖(tu)6. 3D傳導速(su)度映(ying)射(she)及(ji)與鈣成像(xiang)的(de)壹(yi)致性(xing)驗(yan)證(zheng)。

總(zong)結：研究團(tuan)隊(dui)開(kai)發的殼(ke)層(ceng)微電極(ji)陣(zhen)列技術(shu)，通(tong)過(guo)全表(biao)面三(san)維電(dian)生理(li)映(ying)射，解決了(le)心臟(zang)類器官研究中(zhong)的關(guan)鍵(jian)瓶頸。其創新(xin)設(she)計(ji)、長(chang)期(qi)監測能(neng)力(li)及(ji)多(duo)模(mo)態集成(cheng)優勢(shi)，為心臟(zang)疾病(bing)建模和藥(yao)物(wu)測試(shi)提供(gong)了更精(jing)準、高(gao)效的平(ping)臺。這壹(yi)突(tu)破(po)不(bu)僅(jin)推動了類器官技術(shu)的(de)功能(neng)化進(jin)展(zhan)，還可擴(kuo)展(zhan)至腦類(lei)器官、骨骼(ge)肌(ji)類器官等電活(huo)性(xing)組(zu)織(zhi)模型。其(qi)高(gao)通(tong)量制造潛力(li)（晶圓(yuan)級(ji)加工）與微(wei)機(ji)電(dian)系(xi)統（MEMS）兼(jian)容性(xing)，為(wei)大規模藥(yao)物(wu)篩(shai)選(xuan)和個(ge)性(xing)化醫(yi)療(liao)奠定基(ji)礎。

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