新藥的開發是一個漫長的過程，需要通過長周期的測試來評估藥物的心臟毒性以及其他副作用。傳統的評估方法是使用膜片鉗技術來進行細胞的電生理研究，盡管這種方法十分準確有效，但是其侵入性測量記錄方法無法長時間穩定記錄細胞狀態，且實驗操作復雜，難以同時記錄多個細胞。因此，為了記錄胞內電信號，必須開發一種高通量、可長時間穩定記錄、無創無標記的傳感系統。

近期，浙江大學胡寧研究員等在Biosensors and Bioelectronics期刊上發表題為“Electromechanical integrated recording of single cardiomyocyte in situ by multimodal microelectrode biosensing system”的文章。該研究開發了一種新型的多模態微電極生物傳感系統（圖1），能夠動態、高通量地記錄單個心肌細胞多位點的電信號和機械信號，并驗證了離子通道阻斷藥物對單個心肌細胞興奮-收縮耦合的影響。該傳感系統體積小、效率高，在心臟生理學研究和臨床前藥物篩選方面擁有廣闊的產業化前景。

圖1 多模態微電極生物傳感系統示意圖

1. 多模態生物傳感系統的設計、制造與組裝

多模態生物傳感系統的制造是通過光刻工藝在20mm × 20mm × 1mm的玻璃襯底上刻蝕出32個直徑為10μm的微電極（圖2a），而后使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）固定在印刷電路板（PCB）上。用PDMS將玻璃環粘在襯底中心作為細胞培養室，基準電極固定在塑料蓋上，并與PCB連接，完成器件的組裝（圖2b）。系統硬件部分的核心模塊包括電生理信號調理模塊、電阻抗調理模塊和高速并行數據采集模塊，軟件部分通過編寫的LabVIEW程序對采集到的信號進行處理，并計算電信號和機械信號的頻率和幅值（圖2d和e）。

圖2 多模態微電極生物傳感系統的制造

2. 多模態生物傳感系統的性能表征

該系統的三個硬件模塊分別用于測量單個心肌細胞的微弱的電信號、機械搏動信號以及兩者的集成信號。對于電信號，該測量系統能夠將0.5Hz-2kHz頻率范圍內的微弱信號進行放大，并將各通道的背景噪聲抑制在20μV以下（圖3b和c）；對于機械搏動信號，系統能夠通過測量和計算細胞電阻抗值的變化來表現，使用30kΩ-300kΩ的電阻校準，測量的相對誤差在0.2%的范圍內（圖3g）。

圖3 多模態微電極生物傳感系統的性能表征

3. 心肌細胞生理信號模型的建立

將大鼠的心肌細胞置于生物傳感系統中培養，記錄第2-4天的綜合生理信號（圖4c-e），可以看到在第3天時心肌細胞出現規律性的電生理信號與機械搏動信號，并在第4天達到穩定。圖4f記錄了不同通道的機電信號，由于測量位點的不同，信號峰值出現了延遲。通過程序提取特征點，計算機電信號的頻率與幅值，從而可以建立心肌細胞的生理信號模型。

圖4 心肌細胞生理信號模型的建立

4. 離子通道阻斷藥物評估實驗

為了驗證該系統在藥物測試領域的應用，選擇氟卡尼（一種鈉離子通道阻斷劑）來進行藥物實驗。圖5b-e表明，對比對照組，600nM氟卡尼處理后的心肌細胞電信號與機械信號的頻率與幅值均出現下降，該系統能夠檢測出藥物對于心肌細胞的生命活動抑制作用。此外，研究人員還將該系統與商用的電生理傳感系統與阻抗傳感系統的檢測結果進行對比（圖5f和g），證明了該系統的功能可用。

圖5 使用生物傳感系統記錄生理信號評估離子通道阻斷藥物

綜上所述，該研究開發的新型多模態微電極生物傳感系統，允許以高通量和高靈敏度的方式對單個心肌細胞的多個位點進行電信號和機械信號的動態測量。通過對比其他商用系統發現，該系統不僅可以同時記錄電信號和機械信號的集成信號，而且可以有效地記錄離子通道阻斷藥物對心肌細胞興奮-收縮耦合的影響。

原文標題：多模態微電極生物傳感系統，實現單個心肌細胞原位信號測量與記錄

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