中国基因网

中国基因网您的位置：首页 >行业资讯 >

芯片上器官生物传感器收缩包裹心脏细胞

2019-11-14 10:03:48 • 来源：

新加坡卡内基梅隆大学(CMU)和南洋理工大学(NTU)的研究人员开发了一种电子器官上的生物传感器技术，该技术可以从三个维度测量心脏细胞结构的电生理。生物传感器阵列基本上可以围绕干细胞衍生的心肌细胞的细长球状体自滚动，这类似于“拍手镯”如何缠绕在手腕上，从而使研究人员能够研究心脏细胞在多细胞系统中的通信方式。

研究小组希望，电子器官上的平台可用于评估新药，或用作药物或毒素筛选工具，并提供对诸如心律不齐等心脏病的电生理基础的新见解。“几十年来，电生理是使用细胞和二维表面(例如培养皿)上的培养物完成的，” CMU生物医学工程(BME)和材料科学与工程(MSE)副教授Tzahi Cohen-Karni博士解释说。“我们正在尝试通过开发一种将传感器收缩包裹在心脏细胞周围并从该组织中提取电生理信息的方法来克服以3D方式读取心脏电图的挑战。”

芯片上器官生物传感器收缩包裹心脏细胞

Cohen-Karni及其同事在题为“ 芯片上的器官：用于人体电球体电询问的三维自卷式生物传感器阵列 ”的论文中报告了《科学进展》中的新技术。

作者写道，细胞间的通信对于生物系统的协调和功能至关重要。“在原始的三维(3D)环境中，细胞彼此紧密相连，并与周围的基质紧密相连，形成一个复杂且高度动态的系统。”然而，迄今为止，实验室研究主要局限于二维生长的细胞。在文化菜肴中。然而，正如研究人员指出的那样，以2D培养的细胞与自然3D环境中的细胞生长，行为和通讯方式截然不同。

研究人员开发了3D自卷式生物传感器阵列(3D-SR-BA)，可以对3D干细胞衍生的心肌球体进行电生理测量。电子芯片上的设备被制造为扁平的矩形生物传感器阵列，可以比作拍手镯。拍打的手镯在拉力作用下平放时具有尺子的基本形状，但是当拉力释放时，手镯会自动缠绕在手腕上。团队的3D-SR-BA设备是基于相同的基本原理构建的。将由金属电极或石墨烯传感器制成的生物传感器阵列连接到芯片表面，然后刮除锗的底层(即牺牲层)。一旦将其移除，生物传感器阵列便会释放并卷起以形成桶形结构。

对于他们所报告的实验，研究人员开发了一种生物传感器阵列，该阵列将包裹干细胞衍生的心肌球体，这些球体具有伸长的类器官的结构，其类人猿的宽度约为2-3人的头发。使用该系统进行的测试表明，生物传感器阵列能够精确记录由该3D结构中的细胞生成的电信号。作者写道：“从各个方面测量整个3D构造的电活动提供了一个独特的机会，以了解整个构造中的信号传播。”

“基本上，我们已经创建了3D自滚动生物传感器阵列，用于探索诱导的多能干细胞衍生的心肌细胞的电生理学，”研究第一作者，BME博士学位学生Anna Kalmykov说。“该平台可用于研究心脏组织的再生和成熟度，例如可用于治疗心脏病发作后受损的组织，或开发治疗疾病的新药。”

重要地，电极的类型和布置以及3D感测装置的大小和曲率可以被配置为匹配电池类型，3D结构和所需的测量。研究人员解释说：“为了获得所需的曲率，用于构造这些设备的材料的力学和机械性能起着核心作用。” “ 3D-SR-BA平台非常灵活，可以容纳多种传感器类型，用于组织状态的电生理研究或检测组织释放的生物分子。”

NTU教授吉米·夏(Jimmy Hsia)博士说：“对汇总过程的力学分析使我们能够精确地控制传感器的形状，以确保传感器与心脏组织之间的接触保持一致。” “该技术还可以自动调节传感器与组织之间微妙的'触摸'程度，从而可以测量高质量的电信号，而不会由于外部压力而改变组织的生理状况。”

研究人员认为，进一步开发和扩大该平台可以允许将3D-SR-BA用于3D系统的长期电生理研究，例如在组织发育和成熟过程中。他们指出：“此外，它还可以测试药物对具有疾病和健康表型的球体的作用。”

“整个想法是采用传统上在平面几何中完成的方法，并在三个维度上进行，” Cohen-Karni总结道。“我们的器官本质上是3D的。多年来，仅使用在2D组织培养皿上培养的细胞就可以完成电生理。但是现在，这些惊人的电生理技术可以应用于3D结构。”

郑重声明：本文版权归原作者所有，转载文章仅为传播更多信息之目的，如有侵权行为，请第一时间联系我们修改或删除，多谢。

推荐内容