04.藥物對人源心肌細胞的作用檢測

我們通過(guò)向誘導多能干細胞來(lái)源的心肌細胞（hiPSC-CMs）施用不同藥物，并使用3DFG-MEA測量對所記錄動(dòng)作電位（AP）形狀的影響，來(lái)表征心臟離子電流。在其中一些實(shí)驗中，我們使用了另一種細胞系——Pluricyte細胞，這種細胞的復極化時(shí)間更長(cháng)，平臺期更明顯，因此平均動(dòng)作電位50%時(shí)程（APD50）更長(cháng)。對于Pluricyte hiPSC-CMs，測量是在體外培養8天后進(jìn)行的，因為這些細胞需要至少7至8天的培養才能表現出規律的自發(fā)活動(dòng)。我們研究了三種化合物——E-4031、硝苯地平和多非利特的作用，它們對人類(lèi)心臟動(dòng)作電位的形狀產(chǎn)生三種不同的變形效應。分子E-4031是一種III類(lèi)抗心律失常藥物，通過(guò)阻斷鉀通道延長(cháng)心臟動(dòng)作電位。超過(guò)一定濃度時(shí)，E-4031會(huì )導致心肌動(dòng)作電位顯著(zhù)延長(cháng)，并出現早期后除極（EAD），這是心律失常風(fēng)險增加的強烈指標。

在圖4A中，我們報告了在施加2μM E-4031后，來(lái)自同一3DFG MEA兩個(gè)電極的hiPSC-CM（Pluricyte細胞系）的代表性熒光信號（頂部紅色軌跡）和動(dòng)作電位（底部藍色軌跡）。動(dòng)作電位在90%振幅時(shí)的動(dòng)作電位時(shí)程（APD90）非常長(cháng)，為2.95±0.27秒。特別是，動(dòng)作電位呈現出典型的去極化階段，隨后是部分復極化。然而，這些階段之后是一個(gè)長(cháng)的平臺期，在此期間我們可以觀(guān)察到膜電位的波動(dòng)，直到最終復極化階段。因此，所記錄的信號正確地再現了高濃度E-4031對人源心肌細胞預期的影響。

圖4復合物對心肌細胞的影響。（A）給予2μM E-4031后代表性的心臟場(chǎng)電位（紅色曲線(xiàn)）和動(dòng)作電位（藍色曲線(xiàn)）。動(dòng)作電位曲線(xiàn)顯示在動(dòng)作電位的主要復極化階段之后存在早期后除極（EAD）。（B）給予不同濃度硝苯地平前后代表性的心臟動(dòng)作電位。（C）給予100 nM多非利特（DOF）前后代表性的心臟動(dòng)作電位。REF，生理條件下參考信號。

硝苯地平是一種鈣通道阻滯劑，可縮短心臟動(dòng)作電位的持續時(shí)間。圖4B展示了在生理條件下以及給予不同濃度硝苯地平后的動(dòng)作電位。三條曲線(xiàn)顯示了由于復極化階段加快而導致的動(dòng)作電位預期顯著(zhù)縮短。具體而言，APD90減少。我們觀(guān)察到硝苯地平具有劑量依賴(lài)性效應，濃度越高，動(dòng)作電位持續時(shí)間越短，這與該藥物的預期效果相符。多非利特是一種Ⅲ類(lèi)抗心律失常藥物，可阻斷心臟離子通道延遲整流電流的快速成分。因此，多非利特延長(cháng)了復極化階段，從而延長(cháng)了動(dòng)作電位的總持續時(shí)間。在圖4C中，我們報告了給予多非利特前和后的代表性軌跡。給藥后的軌跡顯示出更長(cháng)的復極化階段。最后，通過(guò)觀(guān)察圖4B中的參考軌跡，我們注意到我們的測量結果正確地反映了相關(guān)情況。藥物檢測結果證實(shí)，我們所提出的微電極陣列（MEA）平臺能夠用于檢測電生理活動(dòng)的變化。

在這項工作中，我們展示了基于三維氟化石墨烯（3DFG）的MEA平臺，能夠從人類(lèi)來(lái)源的心肌細胞中記錄細胞內電活動(dòng)。動(dòng)作電位（AP）的記錄得益于3DFG獨特的特性。3DFG MEA在測量心肌細胞培養物中的離子電流方面表現出最佳性能，能夠提供高信噪比的細胞內AP，并能準確檢測藥物對心臟離子通道的影響。3DFG上的細胞穿孔過(guò)程具有極低的侵入性。利用石墨烯電極進(jìn)行細胞內AP記錄的可能性為實(shí)現高性能、全碳MEA生物傳感設備鋪平了道路。這些生物電子器件能夠提供一些基本特性。未來(lái)的研究方向將包括通過(guò)某些方式來(lái)實(shí)現細胞內記錄的穩定化。