由于其对生物分子和细胞的直接影响，电刺激(ES)现在被广泛用于调节细胞增殖、分化和神经刺激，甚至在临床上用于止痛、治疗神经损伤和肌肉康复。传统的ES主要在细胞群体上进行研究，但癌细胞的异质性导致无法获得单个细胞对ES的反应。因此，在单细胞水平上检测ES后的细胞外pH变化(ΔpHe)对于ES在肿瘤治疗中的应用很重要。


大连理工大学吴硕和银冰使用聚苯胺(PANI)修饰的金微电极阵列原位监测周期性脉冲电刺激(IES)后的细胞ΔpHe。PANI传感器在5.55-7.41的pH范围内具有良好的灵敏度(53.68 mV/pH)和线性相关系数(R2=0.99)。IES后，细胞表现出不同程度的ΔpHe，具有不同的时间间隔和刺激电位。较短的脉冲间隔和较高的刺激电位可以有效地增强刺激并增加细胞ΔpHe。在0.5 V电位刺激下，细胞ΔpHe随着脉冲间隔的减小而增加。然而，如果脉冲间隔足够长，即使在0.7 V的更高电位下，由于刺激强度不足，也不会产生显著的额外ΔpHe。基于上述结论，制备的PANI微电极阵列(MEA)能够刺激和检测单个细胞，这有助于ES在肿瘤治疗中的更深入应用。相关工作以“Difunctional Microelectrode Arrays for Single-Cell Electrical Stimulation and pH Detection”为题发表在国际著名期刊Analytical Chemistry上。


研究要点


要点1.作者报道了一种聚苯胺(PANI)修饰的微电极阵列，用于原位电刺激和监测单细胞ΔpHe。使用标准微纳制造技术制备了能够原位单细胞pHe信号记录的集成96个微电极的MEA。


要点2.PANI作为pH敏感材料电化学沉积在传感区域中。PANI不仅是一种生物相容性pH敏感材料，而且是一种降低微电极表面阻抗的优秀电极修饰材料，有利于监测细胞ΔpHe和实现ES。


要点3.PANI传感器的平均灵敏度为53.68 mV/pH，在5.55-7.41的pH范围内具有良好的相关系数(R2=0.99)。在芯片上培养了HeLa细胞，用于监测有无周期性脉冲电刺激(IES)的单细胞ΔpHe。细胞ΔpHe随着刺激电位的增加和脉冲间隔的减小而显著增加。这意味着ES的增强可以导致来自细胞的更强的pH响应。


这项工作可以为监测和刺激单细胞提供一个可行的方案。


研究图文

图1.（a）PANI MEA检测细胞pHe的概念图和传感器。（b）Cr/Au MEAs(10×)的显微图像。（c）PANI MEA的SEM。（d）聚苯胺的拉曼光谱。（e）聚苯胺的红外光谱。（f）PANI的SEM。

图2.（a）苯胺电化学聚合的循环伏安曲线。（b）在5.55-7.41的pH范围内检测PANI的开路电位曲线。（c）pH值和电位值之间的线性相关性。（d）PANI MEAs的选择性和（e）水层研究。（f）检测与相邻电极的ES干扰。

图3.0.2s不同电位刺激的脉冲间隔（a）细胞的亮场显微照片(20×)。（b）ΔV-时间曲线。（c）ΔpHe-时间曲线。

图4.不同脉冲间隔下0.5 V的刺激电位：（a）ΔV-时间曲线和（b）ΔpHe-时间曲线。不同脉冲间隔下0.7 V的刺激电位：（c）ΔV-时间曲线和（d）ΔpHe-时间曲线。

图5.细胞测试后的电极（a）灵敏度和（b）显微镜图像(10×)。