Nat. Nanotech. Lieber團隊：對納米電子支配組織中動作電位傳導的三維測繪與調控

【引言】

進行三維（3D）組織中的電生理實時測繪和調控對基礎科學與臨床研究有著重大的意義。但是，由于缺乏有效的方法，這一目標很難實現。利用外源性或基因編碼的壓敏染料進行光學成像，可以實現對組織中動作電位傳導的高空間分辨率但低時間分辨率的測繪。此外，平面微電極多路復用電子記錄或場效應晶體管（FET）陣列可以在亞毫秒時間分辨率上測繪動作電位。但其仍然只能應用于二維培養的細胞或三維培養的組織樣本表面。

【成果簡介】

為了克服光學電壓傳感和平面電極裝置方法中的問題，來自哈佛大學化學與化學生物學系、John A. Paulson工程與應用科學學院的Charles M. Lieber團隊引入了3D納米電子支架概念。在這種理念的指導下，即使尺寸和機械不匹配阻礙了三維組織測繪，研究者仍然可以在工程化的組織中獲得細胞的應答。該研究呈現了一種全新的納米電子學方式，以此去模仿在尺寸規格和機械性能上與傳統的乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）電紡絲纖維心臟組織支架相類似的組織支架。這種全新的納米電子學方法被應用于純心臟組織支架或結合了PLGA輔層的心臟組織支架，以實現在亞毫秒時間分辨率上對3D樣本中的動作電位進行實時測繪。此外，與刺激電極相結合使得在三維層面對心臟組織的電生理進行同時刻的主動控制和測繪變得可行。

近期，研究人員實現了一種組織支架模擬的3D納米電子陣列。該陣列由具有亞細胞規格與亞毫秒時間分辨率的64可尋址設備組成。實時的胞外動作電位（AP）記錄顯示了3D心臟組織中的動作電位傳導的量化地圖。該方法實現了對心臟組織上不斷變化的三維導電通路的拓撲結構的原位追蹤，并探測了瞬時心律失常疾病模型和后續組織自適應中的動作電位動態特征。研究者們進一步進行同時刻的多點刺激，調控動作電位傳導的頻率與方向，并對其進行測繪。該研究建立了一套全新的在三維時空上對組織進行記錄和控制的方法，并且證明這種納米電子學的方法對再生醫學、藥理學以及電子療法的潛在作用。該研究成果發表在國際期刊Nature Nanotechnology雜志上。

【圖文導讀】

圖1 ?對APs的3D時空測繪

（a） ?有納米線FET陣列（紅點）的無支撐大孔納米電子支架。紅色框內為一根納米線FET。

（a-c） 以有限的68根導線數用來說明其結構。

（b）b 獨立的可尋址FET傳感器，由4層3D無支撐支架折疊后構成。

（c）?在3D折疊支架上培養心臟細胞形成的納米電子支架/心臟組織。黑色框內為納米電子傳感器（藍色圈），支配3D細胞網。

（d） 納米電子心臟組織頂層（L1）上的16個傳感器同一時刻記錄到的跡線。4×4陣列中每個原件的（x，y）坐標都可顯示。

（e） 放大后的每個裝置記錄的AP峰，來自于d中紅色虛線框出的時間段。（4，1）到（1，4）的FETs明確地顯示了從不同裝置記錄到的APs間的清晰的時間延遲。

（f） L1中時間延遲的等時線測繪，測繪區域：~25 mm2。

（g）樣本中時間延遲的3D等時線測繪。四層的4×4裝置陣列對心臟組織進行支配，L1-L4顯示結果一致。 測繪區域：~25?nm× 25 nm × 200 μm。

圖2 ?組織發育過程中AP的演變

（a） 在2，4，6，8天體外實驗中，2層4×6納米線FET陣列記錄的自發的細胞外APs振幅。白色方塊對應胞外APs缺失或低于探測最小值（1個標準差的噪音水平）的情況。

（b） ?在2，4，6，8天體外實驗中，3D納米電子-心臟組織樣本記錄的胞外AP振幅的柱狀圖。

圖3 ?局部注射去甲腎上腺素誘發心律失常

（a） ?測試裝置示意圖，著重顯示了在3D納米電子-心臟組織的局部注射去甲腎上腺素。

（b） L1，L2，L3中的三個傳感器記錄的隨時間變化的同步且周期的APs跡線。藍色箭頭為注射濃度為100 μM的去甲腎上腺素~25 μL。

（c） b中四個彩色盒子區域的放大，顯示了再次注射去甲腎上腺素，注射前及注射5-10s后的APs間的時間延遲。

（d，e）局部注射去甲腎上腺素前（d）和注射5分鐘之后（e）的?3D等時線時間延遲測繪。d中藍色箭頭表示注射位置。

圖4 ?對APs的主動時空調控

（a）納米電子支架中的獨立可尋址刺激電極（紫點）示意圖

（b） 在L4中的周期雙相刺激峰列下，L1、L2、L3記錄了隨時間變化的跡線。刺激峰值的寬、幅、頻率分別為1 ms，1 V和1.25 Hz。L1跡線中的藍色星號標注了APs（下行峰）對電容耦合峰（紅色虛線）。

（c-f）對原起搏器焦點位置（c，藍色箭頭）的3D等時線時間延遲測繪。用模擬電極（在d到f中低處的角落里）改變AP傳播方向，依序90°順時針旋轉（d-f），進行3D等時線時間延遲測繪。

文獻鏈接：Three-dimensional mapping and regulation of action potential propagation in nanoelectronics-innervated tissues（Nature Nanotechnology，2016，DOI:10.1038/nnano.2016.96）

本文由材料人生物材料小組孫苗供稿，材料牛編輯整理。

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