細(xì)胞間通訊在協(xié)調(diào)生物系統(tǒng)功能中起著重要作用

細(xì)胞間通訊在協(xié)調(diào)生物系統(tǒng)功能中起著重要作用。三維(3-D)球狀體(細(xì)胞聚集體)允許生物學(xué)家在組織發(fā)育和藥物發(fā)現(xiàn)過程中探索細(xì)胞通訊，因?yàn)樗鼈兊?-D結(jié)構(gòu)可以模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的體內(nèi)微環(huán)境。細(xì)胞電生理學(xué)是研究電活性細(xì)胞(心臟細(xì)胞，神經(jīng)元)的現(xiàn)有信號(hào)傳導(dǎo)技術(shù)。然而，該技術(shù)尚未提供3-D中多個(gè)部位的組織的直接和同時(shí)研究。現(xiàn)在發(fā)表在Science Advances上的一份新報(bào)告，Anna Kalmykov和美國和新加坡生物醫(yī)學(xué)工程，機(jī)械和航空航天工程，化學(xué)，材料科學(xué)和工程系的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了3-D自卷式生物傳感器陣列(3-D-SR-BA) )。它們內(nèi)置有源場有效晶體管或器件內(nèi)的被動(dòng)微電極，以與封裝的3-D人體心臟球體連接，以研究電生成細(xì)胞的行為。

利用這些陣列，研究團(tuán)隊(duì)獲得了具有高靈敏度和時(shí)空分辨率以及同時(shí)鈣成像的連續(xù)且穩(wěn)定的場電位多重記錄。該方法允許科學(xué)家進(jìn)行電生理學(xué)研究，以監(jiān)測(cè)電子芯片上器官平臺(tái)(器上電子芯片)上的3-D細(xì)胞聚集體內(nèi)的復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。這項(xiàng)工作將為研究實(shí)驗(yàn)室中的活組織成熟和細(xì)胞分化鋪平道路，同時(shí)支持基于電活性細(xì)胞的藥物開發(fā)策略來治療心律失常等疾病。

多細(xì)胞生命是基于細(xì)胞與細(xì)胞的交流，它構(gòu)成了各種組織和器官中高階功能的基礎(chǔ)。細(xì)胞在其天然3-D微環(huán)境中與周圍的基質(zhì)緊密相連，形成復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。生物科學(xué)家通常在2-D表面(細(xì)胞培養(yǎng)板)上培養(yǎng)細(xì)胞數(shù)十年，用于體外研究。然而，2-D和3-D培養(yǎng)技術(shù)在細(xì)胞行為的許多關(guān)鍵特征中定量和定性地不同。

細(xì)胞電生理學(xué)用于研究跨越多種細(xì)胞的細(xì)胞通訊，包括胰島中的電活性心肌細(xì)胞(CM)，神經(jīng)元和α/β細(xì)胞，以及包括肝細(xì)胞和免疫細(xì)胞的非電活性細(xì)胞。在器官芯片平臺(tái)上培養(yǎng)的三維類器官已經(jīng)形成了研究組織發(fā)育和藥物發(fā)現(xiàn)策略的新途徑。生物工程師已經(jīng)使用這樣的系統(tǒng)來研究細(xì)胞 - 細(xì)胞通信的潛在機(jī)制，并且在組織工程中具有潛在的應(yīng)用。

在目前的工作中，卡爾米科夫等人。提出了一種新的組合方法，用于設(shè)計(jì)電子元器件作為自卷式生物傳感器陣列(3-D-SR-BA)并進(jìn)行球體的電生理測(cè)量以研究3-D多細(xì)胞系統(tǒng)。材料科學(xué)家目前正在開發(fā)有趣和不斷發(fā)展的生物活性先進(jìn)材料，同時(shí)研究具有活細(xì)胞的自卷式聚合物結(jié)構(gòu)，以了解細(xì)胞材料運(yùn)動(dòng)/致動(dòng)以響應(yīng)光，pH，溫度和電或磁觸發(fā)。

對(duì)于目前的戰(zhàn)略，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種三維電子生物傳感器的受控組件，其中預(yù)應(yīng)力金屬/聚合物支撐多層系統(tǒng)作為工作平臺(tái)。研究團(tuán)隊(duì)在平面上設(shè)計(jì)了自動(dòng)滾動(dòng)平臺(tái)，當(dāng)從表面釋放時(shí)，實(shí)現(xiàn)了受控的三維幾何形狀。他們使用該方法研究了干細(xì)胞衍生的工程化心臟細(xì)胞組件中電信號(hào)的傳播。該系統(tǒng)是理解三維球體系統(tǒng)中細(xì)胞 - 細(xì)胞通信過程的理想選擇。

3-D裝置(3-D-SR-BA)提供了一種記錄電生理信號(hào)并理解復(fù)雜細(xì)胞裝配中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的新方法。例如，相對(duì)于基于電信號(hào)的疾病(例如心律失常)，心臟球體中的電信息傳播的知識(shí)可以改善復(fù)雜細(xì)胞組件中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基礎(chǔ)。該器官在電子芯片平臺(tái)上將對(duì)生物電子平臺(tái)進(jìn)行組織成熟研究，以測(cè)試未來新藥物治療方案的功效。

研究團(tuán)隊(duì)使用其可調(diào)諧特性為3-D傳感設(shè)備供電，它們通過電極排列和設(shè)備曲率進(jìn)行控制。使用自卷裝置，他們獲得了組織規(guī)模電生理學(xué)的三維測(cè)量，這些測(cè)量以前是在二維芯片表面上使用傳統(tǒng)電子設(shè)備無法獲得的。測(cè)量整個(gè)3-D構(gòu)建體的電活動(dòng)的能力使它們能夠理解整個(gè)構(gòu)建體中的信號(hào)傳播。卡爾梅科夫等人。在犧牲層和具有金屬電極線的聚合物支撐上設(shè)計(jì)器件，以提供到組成場有效晶體管(FET)的源極和漏極互連。

為了推動(dòng)3-D器件的形狀轉(zhuǎn)換，該團(tuán)隊(duì)探索了器件組成層之間的殘余失配應(yīng)力，它們通過改變材料沉積壓力，沉積速率和最終薄膜的厚度來控制。為了理解設(shè)備的自滾動(dòng)行為，他們使用三維有限元分析(FEA)對(duì)過程進(jìn)行建模?；谶@些結(jié)果，他們對(duì)器件進(jìn)行了優(yōu)化，以直接監(jiān)測(cè)球體的電活動(dòng)，其尺寸范圍從50到200μm不等，以改善生物傳感器 - 細(xì)胞界面相互作用，同時(shí)保持健康和完整的球狀體。

為了說明3-D器件的靈活性，研究團(tuán)隊(duì)還將石墨烯FET(GFET)作為活性生物傳感器。與此同時(shí)，他們?cè)O(shè)計(jì)了無源生物傳感器，如微電極陣列(MEAs)，以研究蜂窩網(wǎng)絡(luò)的電生理學(xué)，以便在多個(gè)站點(diǎn)上進(jìn)行精確的電刺激。作為概念驗(yàn)證，Kalmykov等人。在3-D裝置上使用MEA來研究球狀體在細(xì)胞分辨率下的電活動(dòng)。他們使用循環(huán)伏安法(CV)和電化學(xué)阻抗(EIS)證實(shí)了內(nèi)置微電極的電化學(xué)性質(zhì)，并修改了生物傳感器以改善電記錄和改善電化學(xué)活性。適用于帶有源生物傳感器(GFET)的三維器件研究團(tuán)隊(duì)包括傳感器，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾膶?dǎo)電性，卓越的堅(jiān)固性，機(jī)械強(qiáng)度和易于調(diào)節(jié)性。使用細(xì)胞系材料活力測(cè)定與處理五天老的心肌細(xì)胞(CM)的球狀體的3-d裝置的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行隨后的測(cè)試生物相容性II型肌球蛋白以抑制自發(fā)細(xì)胞搏動(dòng)。結(jié)果顯示，3-D裝置對(duì)包封的球狀體的健康或活力沒有負(fù)面影響。

在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，研究小組從人胚胎干細(xì)胞衍生的心肌細(xì)胞球體中獲得了3-D記錄，其在播種第3天顯示出自發(fā)性收縮。到第7天，他們將生電細(xì)胞轉(zhuǎn)移到3-D裝置，以便與生物傳感器接觸成功封裝，以改善細(xì)胞界面相互作用，從而獲得電生理記錄。該團(tuán)隊(duì)在封裝后3小時(shí)內(nèi)從同一個(gè)球體發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的記錄，包括高時(shí)間分辨率的拍頻信息。他們獲得了電子記錄并構(gòu)建了橢球體表面的三維等時(shí)線圖并計(jì)算了傳導(dǎo)速度，這與先前的報(bào)道一致。

通過這種方式，Anna Kalmykov及其同事通過實(shí)驗(yàn)證明了第一項(xiàng)使用3-D-SR-BA設(shè)備對(duì)多維同時(shí)測(cè)量3-D多細(xì)胞系統(tǒng)的研究。該團(tuán)隊(duì)控制了不同尺寸的傳感器定制球體界面的3-D設(shè)備幾何形狀。實(shí)驗(yàn)裝置提供來自3-D球體中的各個(gè)細(xì)胞的信息以及特殊記錄。Kalmykov等人提出的裝置。介紹了一種新的電子元器件生物電子學(xué)方法。研究人員旨在擴(kuò)展電生理學(xué)能力，并將電測(cè)量刺激與生物傳感相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)置，從而更深入地了解3-D電生成組織結(jié)構(gòu)。