测量心脏细胞的电生理学：3D生物传感器

 生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。

近日，据外媒报道，来自卡内基梅隆大学(CMU)和新加坡南洋理工大学(NTUSingapore)的研究人员开发了一种电子元器件平台，该平台使用生物电传感器三维测量心脏细胞的电生理学。这些3D自动滚动生物传感器阵列在心脏细胞球状组织上形成一个“在线片上器官”，从而使研究人员能够研究细胞如何在心脏等多细胞系统中相互通信。

来自卡内基梅隆大学和南洋理工大学的研究人员开发了一种自动滚动的3D生物传感器阵列，用于测量心脏细胞的电生理学

片上器官方法将有助于开发和评估用于疾病治疗的药物，甚至可以使研究人员直接在人类生物组织上筛选药物和毒素，而不是在动物组织上进行测试。该平台还将用于揭示心脏电信号与疾病(如心律失常)之间的联系。该研究发表在ScienceAdvances上，研究人员可以研究目前无法获取的细胞培养过程，如组织发育和细胞成熟。

“数十年来，电生理学是利用细胞和培养物在二维表面上进行的，例如培养皿，我们一直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。”研究人员说。

“器上电子芯片”平台最初是一个小而扁平的矩形，与微型手掌不同。一个平台开始是一个僵硬的、像标尺的结构，但当你释放张力时，它很快会卷绕到手腕周围。器官在电子芯片上也是类似的。研究人员将一系列由金属电极或石墨烯传感器制成的传感器固定在芯片表面，然后蚀刻出一层锗，这就是所谓的“牺牲层”。一旦移除该“牺牲层”，生物传感器阵列就从其保持器中释放并以桶形结构从表面卷起。

研究人员测试了平台上的心脏球体或由心脏细胞制成的细长器官。这些3D心脏球体大约是2-3个人类头发的宽度，通过球体盘绕平台，研究人员可以高精度地收集电信号读数。

“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，”研究人员说。“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。”

通过与研究人员的合作，研究人员能够设计出一个概念验证并在3D微模成型的心肌细胞球体上进行测试。“对卷起过程进行力学分析，使我们能够精确控制传感器的形状，确保传感器与心脏组织之间的接触是否一致，”研究人员说。“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。”

生物化学反应过程产生的信息是多元化的，微电子学和现代传感技术的成果已为检测这些信息提供了丰富的手段。该研究的负责人最后表明，“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，因为我们的器官本质上是3D的。多年来，电生理学只使用在2D组织培养皿上培养的细胞完成。但现在，这些惊人的电生理学技术可以应用于3D结构。”