三维（3D）心肌细胞球状体是在体外复制心脏结构和功能特征的重要模型。然而，由于细胞与MEA芯片之间的接触面积有限且耦合较弱，传统的平面和刚性微电极阵列（MEA）的3D培养物电生理记录质量低下。


因此，浙江大学的秦春莲等人开发了一种PEDOT：PSS修饰的有机柔性和植入式MEA（OFI-MEA）结合自主开发的集成生物传感平台，在3D心肌细胞球体中实现高通量、长期和稳定的双向内部电生理学。电刺激增强了3D心肌细胞的功能表现，导致频率显著增加2.69倍。此外，多位点电生理信号的时频分析以突出球状体中不同的细胞活动模式。它为记录3D心肌细胞球体的电生理信号提供了强大的工具，允许持续评估心脏动力学和电信号的调节，为心脏病模型构建、药物筛选和心脏病学研究提供了一种新的评估策略。


相关成果以PEDOT:PSS-Modified Organic Flexible and Implantable Microelectrode for Internal Bi-Directional Electrophysiology of Three-Dimensional Cardiomyocyte Spheroid为题发表在ACS Sensors(IF：8.2)Pub Date：2024-12-26。


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图1：整合的3D心肌细胞生物传感和调节系统的建立和表征。（a）PEDOT:PSS涂层在有机柔性微电极阵列上的示意图，用于通过直接植入策略对3D心肌细胞凝胶球体进行电生理检测和刺激。（b）OFI-MEA器件的微细加工工艺流程。①硅片已清洁。②溅射100nm厚的Al。③研制了20μm SU-8。④负性光刻胶在金属层上形成图案。⑤磁控溅射150 nm Cr/Au。⑥金属层是通过剥离工艺实现的。⑦开发了5μm厚的SU-8作为顶部介电层。⑧Al层被腐蚀以释放器件。（c）OFI-MEA装置的拆卸图。（d）组装好的OFI-MEA装置图。（e）OFI MEA装置的布局。（f−h）在没有或有PEDOT:PSS的情况下对Au微电极进行改性。（g，h）Au和PEDOT:PSS修饰电极的扫描电镜图像，分别对应于图1f（i）和（ii）。比例尺：2μm。

图2：三维心肌细胞凝胶球体培养和表征。（a）3D中原代心肌细胞的培养过程。（b）免疫荧光染色显示了培养4天的原代心肌细胞的形态特征。细胞用cTnT（绿色）染色，而细胞核用DAPI（蓝色）染色。（c）将3D心肌细胞凝胶球体的全局和局部实时染色图像培养7天。活细胞用钙黄绿素标记。（d）15天培养期后的3D心肌细胞凝胶球体的图像（e），以及在96孔板中培养14天和16天后的球体的亮场显微镜图像。（f）三维心肌细胞球体直径时间依赖曲线。（g）培养22、30和40天形成的3D心肌细胞凝胶球体的代表性活/死图像。钙黄绿素染色活细胞，碘化丙啶（PI）标记死细胞，DAPI染色细胞核。比例尺：200μm。

图3：在生长过程中，对3D心肌细胞凝胶球体中的电生理信号进行高通量时空检测和长期记录。（a）示意图显示了在球体发育过程中将3D心肌细胞凝胶球体连接到OFI-MEA和生物传感系统进行电生理学的设置。（b）在培养的第25天，从3D心肌细胞凝胶球体记录了16个通道电压轨迹。（c）电生理信号的信号传播图显示了峰值时间的延迟。（d）电生理信号的热图显示了16个通道的平均振幅差异。（e）在生长的第12、13、14、18、19和27天，3D心肌细胞球体的电生理记录中的代表性电压轨迹。（f）三维心肌细胞球体不同天数的信号放电率分析、（g）振幅分析和（h）信噪比分析（单因素方差分析）。

图4：OFI-MEA的长期多通道电生理信号记录和时频分析。（a）使用OFI MEA记录培养18天的3D心肌细胞凝胶球体的代表性连续延长电生理信号（Ch 15，Ch 7）。（b）400秒内记录的电生理信号（Ch 15、Ch 7）的振幅。（c）两种信号的典型波形。（d）记录的电生理信号的平均APD30、APD50和APD90（Ch 15、Ch 7）（单因素方差分析）。（e）电生理信号（Ch 15）的原始轨迹（20秒，顶部）和时频谱（0−20 Hz，20秒，底部），色阶：频谱（μV2）。（f）电生理信号（Ch 7）的原始轨迹（20秒，顶部）和时频谱（0−60 Hz，20秒，底部），色阶：频谱（μV2）。（g）电生理信号（Ch 15）的功率谱密度（PSD）分析和频谱分布检查（单因素方差分析）。总体功率谱主要集中在δ频带（0.5−4 Hz）内。（h）电生理信号（Ch 7）的功率谱密度（PSD）分析和频谱分布检查（单因素方差分析）。显示了七个频带的总体功率谱分布：<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）频带。

图5：电刺激后使用有机柔性植入式MEA对3D心肌细胞球体进行信号增强记录。（a）OFI-MEA装置内使用传感/刺激电极阵列和参比电极的电刺激示意图。（b）采用电刺激条件（3.5 V-20脉冲-200μs）记录3D心肌细胞凝胶球体的典型动作电位。（c）3D心肌细胞凝胶球体在电刺激前的典型自发动作电位记录（i）、电穿孔动作电位记录。（d−f）电刺激前后稳态动作电位放电频率、振幅和信噪比的统计分析（非配对t检验）。