意大利理工學院大學&卡耐基梅隆大學Sci. Adv.:石墨烯微電極監測心肌細胞內動作電位

【引言】

監測神經元和心肌細胞的電活動對于研究大腦和心臟的電生理，研究神經退行性疾病或心臟疾病以及制定新的治療策略至關重要。微電極陣列（MEA）平臺已被廣泛使用，因為它們能夠通過同時測量來自成百上千個細胞的電信號來監視大型細胞集合體。在體外應用中，由于最近實現了新穎的二維（2D）和3D金屬電極配置，MEA方法在準確度和高通量之間實現了理想的平衡，從而可以記錄類細胞內動作電位（APs）。石墨烯的非凡性能，如生物相容性，高電導率和柔韌性，使其成為開發MEA和晶體管的理想選擇，用以研究可興奮細胞的電生理學。但是，迄今為止，基于石墨烯的器件僅限于細胞外場電勢（FP）記錄，該記錄不能像使用膜片鉗那樣捕獲AP的主要特征。這極大地限制了石墨烯微電極在體外電生理中的適用性，因為準確地監測細胞內AP的能力是毒理學研究和藥物篩選測定的基本要求。

【成果簡介】

石墨烯具有獨特的電性能，是碳基生物傳感器（如微電極和場效應晶體管）的候選材料。近年來，石墨烯生物傳感器已成功用于在可興奮細胞中進行動作電位的細胞外記錄。然而，由于缺乏有效的細胞穿孔方法，細胞內記錄仍然超出了它們目前的能力。意大利理工學院大學&卡耐基梅隆大學提出了一種由平面外生長的三維模糊石墨烯（3DFG）組成的微電極平臺，該平臺能夠記錄具有高信噪比的細胞內心臟動作電位。作者利用超快脈沖激光通過熱載流子的產生來穿孔細胞膜，并在3DFG電極和細胞內區域之間建立緊密的接觸。這種方法使能夠檢測藥物對人源性心肌細胞動作電位形狀的影響。結合激光穿孔的3DFG電極可用于全碳細胞內微電極陣列，以監測細胞的電生理狀態。該成果以題為“Intracellular action potential recordings from cardiomyocytes by ultrafast pulsed laser irradiation of fuzzy graphene microelectrodes”發表在Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖1.3DFG SEM成像和光學表征

（A）5-μm?3DFG電極的SEM圖像?（B）熔融石英（灰色），在800°C合成10分鐘（紅色）的3DFG和在800?°C合成30分鐘（藍色）的3DFG的UV-vis吸光度與波長的關系 （C）在可見光和近紅外范圍內3DFG介電常數的實部和虛部 （D）在1064 nm的超快（皮秒）脈沖激光激發下，在3DFG電極和PBS之間的界面上以不同的激光強度產生的光電流 （E）激光激發產生的光電流的電容和法拉第電流分量

圖2.3DFG MEA-心肌細胞界面

（A）在3DFG-MEA上體外培養7天的hiPSC-CM的明場（I和III）和免疫熒光圖像（II和IV）（B）在3DFG MEA上的hiPSC-CM的偽彩色SEM圖像 （C）3DFG上HL-1細胞的橫截面SEM圖像。 右圖顯示綠色的細胞核，藍色的細胞質和紅色的3DFG

圖3.電生理記錄

（A）使用3DFG-MEA和50-μm電極（n = 80個電極）對hiPSC-CM進行代表性的細胞外FP記錄（B）滲透后在具有50μm電極的3DFG-MEA上記錄代表性細胞內AP（n = 70個電極）（C）細胞膜重塑和細胞外FP疊加后細胞內偶聯的時間穩定性

圖4.對心肌細胞的復合作用

（A）施用2μME-4031后的代表性心臟FP和AP（B）各種濃度的硝苯地平給藥前后的代表性心臟AP （C）施用100 nM多芬利特（DOF）前后的代表性心臟AP

【小結】

在這項工作中，作者介紹了基于3DFG的MEA平臺，該平臺能夠記錄人源性心肌細胞的細胞內電活動。通過3DFG獨特的形態，光學和電化學特性的組合，可以進行AP記錄。3DFG在超快脈沖激光照射下對細胞膜的拮抗作用歸因于材料中熱載流子的產生。3DFG MEA在測量心肌細胞培養物中的離子電流方面顯示出最佳性能，可為細胞內AP提供高SNR，并允許準確檢測藥物對心臟離子通道的影響。3DFG上的細胞穿孔過程顯示出極低的侵襲性，因為它可以在同一細胞上重復進行而不會影響其健康或自發的電活動。使用石墨烯電極進行細胞內AP記錄的可能性為高性能，全碳MEA生物傳感器件的實現鋪平了道路。這些生物電子學可以提供一些基本功能，例如用于體內應用的高機械靈活性，用于長期實驗的高生物相容性，用于藥物篩選應用的低成本以及出于環境考慮而沒有貴金屬或污染材料的情況。未來的工作將包括通過導線或管的模板生長或表面化學修飾來穩定細胞內的記錄。

文獻鏈接：Intracellular action potential recordings from cardiomyocytes by ultrafast pulsed laser irradiation of fuzzy graphene microelectrodes. Sci. Adv., 2021, DOI:10.1126/sciadv.abd5175

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