04.药物对人源心肌细胞的作用检测


我们通过向诱导多能干细胞来源的心肌细胞（hiPSC-CMs）施用不同药物，并使用3DFG-MEA测量对所记录动作电位（AP）形状的影响，来表征心脏离子电流。在其中一些实验中，我们使用了另一种细胞系——Pluricyte细胞，这种细胞的复极化时间更长，平台期更明显，因此平均动作电位50%时程（APD50）更长。对于Pluricyte hiPSC-CMs，测量是在体外培养8天后进行的，因为这些细胞需要至少7至8天的培养才能表现出规律的自发活动。我们研究了三种化合物——E-4031、硝苯地平和多非利特的作用，它们对人类心脏动作电位的形状产生三种不同的变形效应。分子E-4031是一种III类抗心律失常药物，通过阻断钾通道延长心脏动作电位。超过一定浓度时，E-4031会导致心肌动作电位显著延长，并出现早期后除极（EAD），这是心律失常风险增加的强烈指标。


在图4A中，我们报告了在施加2μM E-4031后，来自同一3DFG MEA两个电极的hiPSC-CM（Pluricyte细胞系）的代表性荧光信号（顶部红色轨迹）和动作电位（底部蓝色轨迹）。动作电位在90%振幅时的动作电位时程（APD90）非常长，为2.95±0.27秒。特别是，动作电位呈现出典型的去极化阶段，随后是部分复极化。然而，这些阶段之后是一个长的平台期，在此期间我们可以观察到膜电位的波动，直到最终复极化阶段。因此，所记录的信号正确地再现了高浓度E-4031对人源心肌细胞预期的影响。

图4复合物对心肌细胞的影响。（A）给予2μM E-4031后代表性的心脏场电位（红色曲线）和动作电位（蓝色曲线）。动作电位曲线显示在动作电位的主要复极化阶段之后存在早期后除极（EAD）。（B）给予不同浓度硝苯地平前后代表性的心脏动作电位。（C）给予100 nM多非利特（DOF）前后代表性的心脏动作电位。REF，生理条件下参考信号。


硝苯地平是一种钙通道阻滞剂，可缩短心脏动作电位的持续时间。图4B展示了在生理条件下以及给予不同浓度硝苯地平后的动作电位。三条曲线显示了由于复极化阶段加快而导致的动作电位预期显著缩短。具体而言，APD90减少。我们观察到硝苯地平具有剂量依赖性效应，浓度越高，动作电位持续时间越短，这与该药物的预期效果相符。多非利特是一种Ⅲ类抗心律失常药物，可阻断心脏离子通道延迟整流电流的快速成分。因此，多非利特延长了复极化阶段，从而延长了动作电位的总持续时间。在图4C中，我们报告了给予多非利特前和后的代表性轨迹。给药后的轨迹显示出更长的复极化阶段。最后，通过观察图4B中的参考轨迹，我们注意到我们的测量结果正确地反映了相关情况。药物检测结果证实，我们所提出的微电极阵列（MEA）平台能够用于检测电生理活动的变化。


在这项工作中，我们展示了基于三维氟化石墨烯（3DFG）的MEA平台，能够从人类来源的心肌细胞中记录细胞内电活动。动作电位（AP）的记录得益于3DFG独特的特性。3DFG MEA在测量心肌细胞培养物中的离子电流方面表现出最佳性能，能够提供高信噪比的细胞内AP，并能准确检测药物对心脏离子通道的影响。3DFG上的细胞穿孔过程具有极低的侵入性。利用石墨烯电极进行细胞内AP记录的可能性为实现高性能、全碳MEA生物传感设备铺平了道路。这些生物电子器件能够提供一些基本特性。未来的研究方向将包括通过某些方式来实现细胞内记录的稳定化。