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

細胞間通訊在協(xié)調(diào)生物系統(tǒng)功能中起著重要作用。三維(3-D)球狀體(細胞聚集體)允許生物學家在組織發(fā)育和藥物發(fā)現(xiàn)過程中探索細胞通訊，因為它們的3-D結構可以模擬實驗室內(nèi)的體內(nèi)微環(huán)境。細胞電生理學是研究電活性細胞(心臟細胞，神經(jīng)元)的現(xiàn)有信號傳導技術。然而，該技術尚未提供3-D中多個部位的組織的直接和同時研究?，F(xiàn)在發(fā)表在Science Advances上的一份新報告，Anna Kalmykov和美國和新加坡生物醫(yī)學工程，機械和航空航天工程，化學，材料科學和工程系的跨學科研究團隊開發(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，以研究電生成細胞的行為。

利用這些陣列，研究團隊獲得了具有高靈敏度和時空分辨率以及同時鈣成像的連續(xù)且穩(wěn)定的場電位多重記錄。該方法允許科學家進行電生理學研究，以監(jiān)測電子芯片上器官平臺(器上電子芯片)上的3-D細胞聚集體內(nèi)的復雜信號轉導。這項工作將為研究實驗室中的活組織成熟和細胞分化鋪平道路，同時支持基于電活性細胞的藥物開發(fā)策略來治療心律失常等疾病。

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

細胞電生理學用于研究跨越多種細胞的細胞通訊，包括胰島中的電活性心肌細胞(CM)，神經(jīng)元和α/β細胞，以及包括肝細胞和免疫細胞的非電活性細胞。在器官芯片平臺上培養(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)來研究細胞 - 細胞通信的潛在機制，并且在組織工程中具有潛在的應用。

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，用于設計電子元器件作為自卷式生物傳感器陣列(3-D-SR-BA)并進行球體的電生理測量以研究3-D多細胞系統(tǒng)。材料科學家目前正在開發(fā)有趣和不斷發(fā)展的生物活性先進材料，同時研究具有活細胞的自卷式聚合物結構，以了解細胞材料運動/致動以響應光，pH，溫度和電或磁觸發(fā)。

對于目前的戰(zhàn)略，研究團隊開發(fā)了一種三維電子生物傳感器的受控組件，其中預應力金屬/聚合物支撐多層系統(tǒng)作為工作平臺。研究團隊在平面上設計了自動滾動平臺，當從表面釋放時，實現(xiàn)了受控的三維幾何形狀。他們使用該方法研究了干細胞衍生的工程化心臟細胞組件中電信號的傳播。該系統(tǒng)是理解三維球體系統(tǒng)中細胞 - 細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并理解復雜細胞裝配中信號轉導的新方法。例如，相對于基于電信號的疾病(例如心律失常)，心臟球體中的電信息傳播的知識可以改善復雜細胞組件中的信號轉導的基礎。該器官在電子芯片平臺上將對生物電子平臺進行組織成熟研究，以測試未來新藥物治療方案的功效。

研究團隊使用其可調(diào)諧特性為3-D傳感設備供電，它們通過電極排列和設備曲率進行控制。使用自卷裝置，他們獲得了組織規(guī)模電生理學的三維測量，這些測量以前是在二維芯片表面上使用傳統(tǒng)電子設備無法獲得的。測量整個3-D構建體的電活動的能力使它們能夠理解整個構建體中的信號傳播?？柮房品虻热?。在犧牲層和具有金屬電極線的聚合物支撐上設計器件，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3-D器件的形狀轉換，該團隊探索了器件組成層之間的殘余失配應力，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。為了理解設備的自滾動行為，他們使用三維有限元分析(FEA)對過程進行建模?；谶@些結果，他們對器件進行了優(yōu)化，以直接監(jiān)測球體的電活動，其尺寸范圍從50到200μm不等，以改善生物傳感器 - 細胞界面相互作用，同時保持健康和完整的球狀體。

為了說明3-D器件的靈活性，研究團隊還將石墨烯FET(GFET)作為活性生物傳感器。與此同時，他們設計了無源生物傳感器，如微電極陣列(MEAs)，以研究蜂窩網(wǎng)絡的電生理學，以便在多個站點上進行精確的電刺激。作為概念驗證，Kalmykov等人。在3-D裝置上使用MEA來研究球狀體在細胞分辨率下的電活動。他們使用循環(huán)伏安法(CV)和電化學阻抗(EIS)證實了內(nèi)置微電極的電化學性質(zhì)，并修改了生物傳感器以改善電記錄和改善電化學活性。適用于帶有源生物傳感器(GFET)的三維器件研究團隊包括傳感器，因為它們具有出色的導電性，卓越的堅固性，機械強度和易于調(diào)節(jié)性。使用細胞系材料活力測定與處理五天老的心肌細胞(CM)的球狀體的3-d裝置的團隊進行隨后的測試生物相容性II型肌球蛋白以抑制自發(fā)細胞搏動。結果顯示，3-D裝置對包封的球狀體的健康或活力沒有負面影響。

在進一步的實驗中，研究小組從人胚胎干細胞衍生的心肌細胞球體中獲得了3-D記錄，其在播種第3天顯示出自發(fā)性收縮。到第7天，他們將生電細胞轉移到3-D裝置，以便與生物傳感器接觸成功封裝，以改善細胞界面相互作用，從而獲得電生理記錄。該團隊在封裝后3小時內(nèi)從同一個球體發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的記錄，包括高時間分辨率的拍頻信息。他們獲得了電子記錄并構建了橢球體表面的三維等時線圖并計算了傳導速度，這與先前的報道一致。

通過這種方式，Anna Kalmykov及其同事通過實驗證明了第一項使用3-D-SR-BA設備對多維同時測量3-D多細胞系統(tǒng)的研究。該團隊控制了不同尺寸的傳感器定制球體界面的3-D設備幾何形狀。實驗裝置提供來自3-D球體中的各個細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方法。研究人員旨在擴展電生理學能力，并將電測量刺激與生物傳感相結合，以實現(xiàn)更復雜的設置，從而更深入地了解3-D電生成組織結構。