三維（3D）心肌細胞球狀體是在體外復(fù)制心臟結(jié)構(gòu)和功能特征的重要模型。然而，由于細胞與MEA芯片之間的接觸面積有限且耦合較弱，傳統(tǒng)的平面和剛性微電極陣列（MEA）的3D培養(yǎng)物電生理記錄質(zhì)量低下。

因此，浙江大學(xué)的秦春蓮等人開發(fā)了一種PEDOT：PSS修飾的有機柔性和植入式MEA（OFI-MEA）結(jié)合自主開發(fā)的集成生物傳感平臺，在3D心肌細胞球體中實現(xiàn)高通量、長期和穩(wěn)定的雙向內(nèi)部電生理學(xué)。電刺激增強了3D心肌細胞的功能表現(xiàn)，導(dǎo)致頻率顯著增加2.69倍。此外，多位點電生理信號的時頻分析以突出球狀體中不同的細胞活動模式。它為記錄3D心肌細胞球體的電生理信號提供了強大的工具，允許持續(xù)評估心臟動力學(xué)和電信號的調(diào)節(jié)，為心臟病模型構(gòu)建、藥物篩選和心臟病學(xué)研究提供了一種新的評估策略。

相關(guān)成果以PEDOT:PSS-Modified Organic Flexible and Implantable Microelectrode for Internal Bi-Directional Electrophysiology of Three-Dimensional Cardiomyocyte Spheroid為題發(fā)表在ACS Sensors(IF：8.2)Pub Date：2024-12-26。

相關(guān)圖文

圖1：整合的3D心肌細胞生物傳感和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建立和表征。（a）PEDOT:PSS涂層在有機柔性微電極陣列上的示意圖，用于通過直接植入策略對3D心肌細胞凝膠球體進行電生理檢測和刺激。（b）OFI-MEA器件的微細加工工藝流程。①硅片已清潔。②濺射100nm厚的Al。③研制了20μm SU-8。④負性光刻膠在金屬層上形成圖案。⑤磁控濺射150 nm Cr/Au。⑥金屬層是通過剝離工藝實現(xiàn)的。⑦開發(fā)了5μm厚的SU-8作為頂部介電層。⑧Al層被腐蝕以釋放器件。（c）OFI-MEA裝置的拆卸圖。（d）組裝好的OFI-MEA裝置圖。（e）OFI MEA裝置的布局。（f?h）在沒有或有PEDOT:PSS的情況下對Au微電極進行改性。（g，h）Au和PEDOT:PSS修飾電極的掃描電鏡圖像，分別對應(yīng)于圖1f（i）和（ii）。比例尺：2μm。

圖2：三維心肌細胞凝膠球體培養(yǎng)和表征。（a）3D中原代心肌細胞的培養(yǎng)過程。（b）免疫熒光染色顯示了培養(yǎng)4天的原代心肌細胞的形態(tài)特征。細胞用cTnT（綠色）染色，而細胞核用DAPI（藍色）染色。（c）將3D心肌細胞凝膠球體的全局和局部實時染色圖像培養(yǎng)7天。活細胞用鈣黃綠素標記。（d）15天培養(yǎng)期后的3D心肌細胞凝膠球體的圖像（e），以及在96孔板中培養(yǎng)14天和16天后的球體的亮場顯微鏡圖像。（f）三維心肌細胞球體直徑時間依賴曲線。（g）培養(yǎng)22、30和40天形成的3D心肌細胞凝膠球體的代表性活/死圖像。鈣黃綠素染色活細胞，碘化丙啶（PI）標記死細胞，DAPI染色細胞核。比例尺：200μm。

圖3：在生長過程中，對3D心肌細胞凝膠球體中的電生理信號進行高通量時空檢測和長期記錄。（a）示意圖顯示了在球體發(fā)育過程中將3D心肌細胞凝膠球體連接到OFI-MEA和生物傳感系統(tǒng)進行電生理學(xué)的設(shè)置。（b）在培養(yǎng)的第25天，從3D心肌細胞凝膠球體記錄了16個通道電壓軌跡。（c）電生理信號的信號傳播圖顯示了峰值時間的延遲。（d）電生理信號的熱圖顯示了16個通道的平均振幅差異。（e）在生長的第12、13、14、18、19和27天，3D心肌細胞球體的電生理記錄中的代表性電壓軌跡。（f）三維心肌細胞球體不同天數(shù)的信號放電率分析、（g）振幅分析和（h）信噪比分析（單因素方差分析）。

圖4：OFI-MEA的長期多通道電生理信號記錄和時頻分析。（a）使用OFI MEA記錄培養(yǎng)18天的3D心肌細胞凝膠球體的代表性連續(xù)延長電生理信號（Ch 15，Ch 7）。（b）400秒內(nèi)記錄的電生理信號（Ch 15、Ch 7）的振幅。（c）兩種信號的典型波形。（d）記錄的電生理信號的平均APD30、APD50和APD90（Ch 15、Ch 7）（單因素方差分析）。（e）電生理信號（Ch 15）的原始軌跡（20秒，頂部）和時頻譜（0?20 Hz，20秒，底部），色階：頻譜（μV2）。（f）電生理信號（Ch 7）的原始軌跡（20秒，頂部）和時頻譜（0?60 Hz，20秒，底部），色階：頻譜（μV2）。（g）電生理信號（Ch 15）的功率譜密度（PSD）分析和頻譜分布檢查（單因素方差分析）。總體功率譜主要集中在δ頻帶（0.5?4 Hz）內(nèi)。（h）電生理信號（Ch 7）的功率譜密度（PSD）分析和頻譜分布檢查（單因素方差分析）。顯示了七個頻帶的總體功率譜分布：<0.5 Hz、δ（0.5?4 Hz）、θ（4?8 Hz）、α（8?14 Hz）、β（14?30 Hz）、γ（30?120 Hz）和ε（>120 Hz）頻帶。

圖5：電刺激后使用有機柔性植入式MEA對3D心肌細胞球體進行信號增強記錄。（a）OFI-MEA裝置內(nèi)使用傳感/刺激電極陣列和參比電極的電刺激示意圖。（b）采用電刺激條件（3.5 V-20脈沖-200μs）記錄3D心肌細胞凝膠球體的典型動作電位。（c）3D心肌細胞凝膠球體在電刺激前的典型自發(fā)動作電位記錄（i）、電穿孔動作電位記錄。（d?f）電刺激前后穩(wěn)態(tài)動作電位放電頻率、振幅和信噪比的統(tǒng)計分析（非配對t檢驗）。