微電極陣列（Microelectrode arrays，MEA）是一種廣泛應用于體外評價(jià)心臟和神經(jīng)元等細胞功能的平臺，因為MEA提供了與細胞的非侵入性接觸，并能夠實(shí)現對細胞結構的電生理活動(dòng)的高時(shí)空跟蹤。然而，傳統的平面二維（2D）MEA通常構造在剛性基底上，并且由于2D表面和3D球形類(lèi)器官之間的小接觸面積，因此不能全面地捕獲跨類(lèi)器官的球形表面的電生理活動(dòng)。為了解決這些問(wèn)題，已經(jīng)引入了由諸如聚酰亞胺（PI）、SU-8和聚對二甲苯C等材料組成的柔性MEA作為2D MEA的有前景的替代品。這些柔性MEA是為特定尺寸的類(lèi)器官設計的，旨在實(shí)現共形接觸和連續監測。然而，針對特定類(lèi)有機體的定制設計不能擴展到不同大小的類(lèi)有機體。此外，由于類(lèi)器官和微電極之間的弱接觸，為非侵入性電生理測量開(kāi)發(fā)的柔性MEA遭受低信噪比（SNR）。這種不充分的接觸在類(lèi)有機體中的產(chǎn)電細胞和微電極之間形成了相對寬的間隙和微弱的連接，導致波形失真和所測動(dòng)作電位信號的幅度顯著(zhù)降低。

類(lèi)器官是能夠再現人體器官復雜結構和功能的三維生物模型。盡管類(lèi)器官的生成速度很快，但在體外評估工具仍然局限于二維形式。因此，對電活性類(lèi)器官的全面、連續功能評估仍然是一個(gè)挑戰。

為了解決這一問(wèn)題，近日，韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Hyunjoo J.Lee團隊聯(lián)合韓國生命科學(xué)技術(shù)研究院Mi-Young Son/Mi-Ok Lee團隊提出了一種高度可伸縮的三維多電極陣列（sMEA），其微電極突出，用于電活性類(lèi)器官的功能評估。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的螺旋結構和橋接結構覆蓋類(lèi)器官表面，即使在浸潤狀態(tài)下也能實(shí)現均勻覆蓋。突出的微電極與類(lèi)器官形成穩定的接觸，允許進(jìn)行高信噪比（SNR）的電生理記錄。

sMEAs能在晶圓級上制造，以實(shí)現可重復、可擴展和大規模生產(chǎn)，并包裝在易于使用、用戶(hù)友好且堅固的微孔板中，以便快速推廣技術(shù)。作者通過(guò)測量心臟球形體和中腦類(lèi)器官在500至1500微米范圍內的不同大小的電生理信號，驗證了sMEA的通用性。此外，高信噪比的電生理信號記錄能夠實(shí)現藥物作用的功能評估。該高信噪比且用戶(hù)友好界面的sMEA有望成為高通量藥物篩選、3D時(shí)空電生理器官組織的繪制以及質(zhì)量評估協(xié)議的標準化方面的關(guān)鍵工具。

用于3D產(chǎn)電球體和類(lèi)器官的可拉伸微電極陣列（sMEA）。

a）由具有突出微電極的sMEA捕獲的類(lèi)器官的概念圖。B）sMEA的分解圖。c）所制造的sMEA的光學(xué)圖像?？潭瘸?，5 mm。d）包裝的sMEA的光學(xué)圖像?？潭瘸?，1cm。e）支持具有高位移的類(lèi)器官的sMEA的光學(xué)圖像。比例尺，分別為1 cm和1 mm。f）sMEA底視光學(xué)顯微鏡圖像，其中類(lèi)器官在頂部。比例尺，1mm.g）具有中腦類(lèi)器官的sMEA的3D重建熒光圖像。紅色和藍色分別對應于sMEA（R6G）和細胞核（Hoechst）?？潭瘸?，1 mm。

使用FEM模擬優(yōu)化sMEA設計。

a）具有最終優(yōu)化值的sMEA的結構和設計參數。sMEA的最大位移與B）不同數量的蛇紋（n=2，3，和4），c）寬度的杠桿（W=50，300，和500μm），和d）長(cháng)度的杠桿（L=500，1000，和1500μm）為不同大小的forganoids。FEM模擬結果的側視圖描繪了當將半徑為e）500μm、f）1000μm和g）1500μm的類(lèi)器官放置在頂部時(shí)sMEA上的位移。

PEDOT：PSS微電極的突起特性

a）在PEDOT：PSS電沉積之前（i）和在PEDOT：PSS電沉積之后（ii）的微電極的光學(xué)顯微鏡圖像（上）和SEM圖像（下）。比例尺，50μm。b）在不同的PEDOT：PSS電沉積時(shí)間下的電化學(xué)阻抗譜。c）在不同的PEDOT：PSS電沉積時(shí)間下，在1kHz下的電化學(xué)阻抗的比較。（n=13）（平均值±標準差。）d）相對于PEDOT：PSS電沉積時(shí)間的電荷存儲容量。（n=13）（平均值±標準差。）e）在不同的PEDOT：PSS電沉積時(shí)間之后的厚度變化。（n=7）（平均值±標準差）f）中腦類(lèi)器官的相對活力。（n=3）（平均值±S.D.，非配對t檢驗）g）對照組和sMEA組中SOX2陽(yáng)性細胞的定量。使用Hoechst進(jìn)行細胞核染色，并在每個(gè)類(lèi)器官中定量至少3個(gè)圖像。（n=6）（平均值±S.D.，非配對t檢驗）h）與標準MEA相比，相對于突出電極的厚度的相對接觸壓力變化。i）分別在100 s（i）、300 s（ii）和500 s（iii）時(shí)，從涂覆有PEDOT：PSS的sMEA上的心臟球體測量的動(dòng)作電位信號。j）i）中測量的信號的信噪比。

不同大小心臟球形體電生理信號的測量與分析

。a）從直徑為1500μm的心臟球體測量的電生理信號的原始電壓跡線(xiàn)（左），圖中紅色虛線(xiàn)框的放大視圖（左）（中），以及從每個(gè)微電極測量的分類(lèi)動(dòng)作電位的表示（右）。B）從在a）中心示出的信號重構的3D時(shí)空色彩映射圖像。使用鄰近測量的信號對每個(gè)微電極之間的未測量信號進(jìn)行線(xiàn)性?xún)炔?。c）在直徑為1500μm的心臟類(lèi)球體中測量的平均動(dòng)作電位的代表性原始跡線(xiàn)及關(guān)鍵參數。d）搏動(dòng)頻率，e）場(chǎng)電位持續時(shí)間，f）持續時(shí)間，g）從直徑為500μm、1000μm和1500μm的心臟球形體中測量的電生理信號中提取的峰-峰振幅。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.05，**p<0.01，單因素方差分析）h）心臟類(lèi)球體大小的代表性相差圖像（比例尺，500μm）和相應的免疫熒光圖像，顯示分化的心臟類(lèi)球體中的β-肌動(dòng)蛋白和TNNT的表達。比例尺，10μm。

藥物治療過(guò)程中心臟類(lèi)球體電生理信號變化的分析。

a）用心臟球體進(jìn)行的藥物治療實(shí)驗的示意圖和時(shí)間軸。B）ISO處理后，隨時(shí)間推移的電生理信號的原始電壓跡線(xiàn)。c）ISO處理后，搏動(dòng)率、場(chǎng)電位持續時(shí)間、持續時(shí)間和峰-峰振幅隨時(shí)間的變化?；疑?、紅色和藍色框分別表示ISO處理前、ISO處理后和沖洗后。ISO處理前、ISO處理后1小時(shí)和沖洗后1小時(shí)的d）搏動(dòng)率、e）場(chǎng)電位持續時(shí)間、f）持續時(shí)間和g）峰-峰振幅的變化。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.001，單因素方差分析）。

中腦類(lèi)器官電生理信號的測量與分析。

a）在成熟50天后，從中腦類(lèi)器官測量的電生理信號的原始電壓跡線(xiàn)。B）分類(lèi)的神經(jīng)棘波波形和c）從通道4、10和11記錄的原始電壓跡線(xiàn)提取的棘波率。d）從a）中的紅色虛線(xiàn)框中所示的信號重建的3D時(shí)空彩色圖圖像。e）在藥物治療前（i）、用加巴嗪（50μm）治療后（ii）和在加巴嗪治療后（iii）進(jìn)行MPTP（100μm）治療后，從通道4、9、10和12測量的電生理信號的原始電壓跡線(xiàn)（上）和光柵圖（下）。f）比較藥物治療前、加巴嗪（50μm）治療后和后續MPTP（100μm）治療后的峰率。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.05，和**p<0.01，單因素方差分析）。g）顯示神經(jīng)標記物（MAP2）和多巴胺能神經(jīng)元標記物（TH）在對照和MPTP（100μm）處理的mBO中的表達的代表性免疫熒光圖像。比例尺，50μm。h）兩組中TH陽(yáng)性細胞的定量。對于熒光計數器，使用Hoechst。（n=6）（平均值±S.D.，*p<0.05，非配對t檢驗）。