多模态生物传感系统的设计、制造与组装

新药的开发是一个漫长的过程，需要通过长周期的测试来评估药物的心脏毒性以及其他副作用。传统的评估方法是使用膜片钳技术来进行细胞的电生理研究，尽管这种方法十分准确有效，但是其侵入性测量记录方法无法长时间稳定记录细胞状态，且实验操作复杂，难以同时记录多个细胞。因此，为了记录胞内电信号，必须开发一种高通量、可长时间稳定记录、无创无标记的传感系统。

近期，浙江大学胡宁研究员等在Biosensors and Bioelectronics期刊上发表题为“Electromechanical integrated recording of single cardiomyocyte in situ by multimodal microelectrode biosensing system”的文章。该研究开发了一种新型的多模态微电极生物传感系统（图1），能够动态、高通量地记录单个心肌细胞多位点的电信号和机械信号，并验证了离子通道阻断药物对单个心肌细胞兴奋-收缩耦合的影响。该传感系统体积小、效率高，在心脏生理学研究和临床前药物筛选方面拥有广阔的产业化前景。

图1 多模态微电极生物传感系统示意图

1. 多模态生物传感系统的设计、制造与组装

多模态生物传感系统的制造是通过光刻工艺在20mm × 20mm × 1mm的玻璃衬底上刻蚀出32个直径为10μm的微电极（图2a），而后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）固定在印刷电路板（PCB）上。用PDMS将玻璃环粘在衬底中心作为细胞培养室，基准电极固定在塑料盖上，并与PCB连接，完成器件的组装（图2b）。系统硬件部分的核心模块包括电生理信号调理模块、电阻抗调理模块和高速并行数据采集模块，软件部分通过编写的LabVIEW程序对采集到的信号进行处理，并计算电信号和机械信号的频率和幅值（图2d和e）。

图2 多模态微电极生物传感系统的制造

2. 多模态生物传感系统的性能表征

该系统的三个硬件模块分别用于测量单个心肌细胞的微弱的电信号、机械搏动信号以及两者的集成信号。对于电信号，该测量系统能够将0.5Hz-2kHz频率范围内的微弱信号进行放大，并将各通道的背景噪声抑制在20μV以下（图3b和c）；对于机械搏动信号，系统能够通过测量和计算细胞电阻抗值的变化来表现，使用30kΩ-300kΩ的电阻校准，测量的相对误差在0.2%的范围内（图3g）。

图3 多模态微电极生物传感系统的性能表征

3. 心肌细胞生理信号模型的建立

将大鼠的心肌细胞置于生物传感系统中培养，记录第2-4天的综合生理信号（图4c-e），可以看到在第3天时心肌细胞出现规律性的电生理信号与机械搏动信号，并在第4天达到稳定。图4f记录了不同通道的机电信号，由于测量位点的不同，信号峰值出现了延迟。通过程序提取特征点，计算机电信号的频率与幅值，从而可以建立心肌细胞的生理信号模型。

图4 心肌细胞生理信号模型的建立

4. 离子通道阻断药物评估实验

为了验证该系统在药物测试领域的应用，选择氟卡尼（一种钠离子通道阻断剂）来进行药物实验。图5b-e表明，对比对照组，600nM氟卡尼处理后的心肌细胞电信号与机械信号的频率与幅值均出现下降，该系统能够检测出药物对于心肌细胞的生命活动抑制作用。此外，研究人员还将该系统与商用的电生理传感系统与阻抗传感系统的检测结果进行对比（图5f和g），证明了该系统的功能可用。

图5 使用生物传感系统记录生理信号评估离子通道阻断药物

综上所述，该研究开发的新型多模态微电极生物传感系统，允许以高通量和高灵敏度的方式对单个心肌细胞的多个位点进行电信号和机械信号的动态测量。通过对比其他商用系统发现，该系统不仅可以同时记录电信号和机械信号的集成信号，而且可以有效地记录离子通道阻断药物对心肌细胞兴奋-收缩耦合的影响。

原文标题：多模态微电极生物传感系统，实现单个心肌细胞原位信号测量与记录

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审核编辑：彭静