在心血管疾病研究領域，人類誘導多能干細胞（iPSC）衍生的心臟類器官因其能模擬心臟早期發育和疾病特征而備受關注。然而，傳統二維微電極陣列僅能記錄平面信號，無法捕捉心臟類器官中電信號的三維傳播動態，限制了其在心律失常等復雜疾病建模中的應用。近日，約翰斯·霍普金斯大學科研團隊成功開發出具有可編程特性的形狀自適應殼裝微電極陣列（shell MEA），實現了對三維心臟類器官（Cardiac Organoids）的高時空分辨率電生理信號采集與分析。該成果以"3D Spatiotemporal Electrophysiology of Cardiac Organoids Using Shell Microelectrode Arrays"為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。心臟類器官通過自組裝形成具有腔室樣結構的微組織，能夠自發跳動并模擬心臟的電生理特性。然而，傳統電生理記錄技術如二維微電極陣列或膜片鉗存在明顯不足：二維陣列僅能捕獲類器官基底表面的信號，而膜片鉗需要解離類器官，破壞其三維結構且無法進行長期觀測。光學成像技術雖能提供部分時空信息，但易受光漂白和光毒性影響，且穿透深度有限。研究團隊基于自折疊雙分子層原理，設計了一種shell MEA。該陣列由四個十字形片段組成，可在水溶液中自主折疊成籠狀結構，包裹整個類器官表面，其光學透明性允許同時進行鈣離子成像，驗證電生理傳播模式。其核心創新包括：- 定制化幾何結構：可調整電極布局，適應不同尺寸（0.5–1.5 mm直徑）的類器官；
- 高密度電極分布：16個電極均勻覆蓋類器官上、中、下區域，確保全表面信號采集。
圖1. shell MEA與3D打印微孔集成用于心臟類器官封裝。shell MEA的制造采用五層光刻掩模工藝，在石英晶圓上逐層沉積鍺犧牲層、SU-8絕緣層、金電極和導電聚合物PEDOT:PSS涂層。通過調控SU-8雙分子層的交聯度和厚度，可實現可控的折疊角度和時間。團隊采用摩方精密microArch® S240 （精度：10μm）高精度3D打印機和生物相容性樹脂（BIO）材料制造定制化微孔板，確保類器官精準定位到 shell MEA中心。微孔板通過UV固化后，與shell MEA基底牢固粘合，形成完整的檢測系統。這一技術突破避免了傳統手動操作的誤差，為高通量應用奠定了基礎。為驗證殼層MEA在心臟毒性篩選中的應用潛力，團隊測試了9天內異丙腎上腺素（正性肌力藥物）、E-4031（hERG通道阻滯劑）和血清素對心肌類器官電生理參數的影響：- 異丙腎上腺素（10 μM）導致場電位振幅增加81%、跳動頻率上升84%、場電位持續時間延長12%，符合其正性變時和變力作用；
- E-4031（1 μM）引起頻率下降34%、持續時間延長64%，模擬了心律失常風險；這些結果與臨床前數據一致，驗證了 shell MEA在藥物心臟毒性評估中的可靠性。
圖3. shell MEA的特性分析，用于優化心臟類器官的電生理記錄。通過檢測局部激活時間（LAT），團隊生成了高分辨率三維等時線圖。基于最大斜率法（非振幅法）的LAT檢測準確率達87.5%，顯著優于傳統方法（69.6%）。插值算法（徑向基函數）將16個電極數據轉化為全表面激活序列，揭示類器官內電信號傳播路徑（如從左至右，延遲約15 ms）。更重要的是，殼層MEA的透明性允許同步鈣成像驗證。對比顯示，三維電生理映射與鈣成像激活圖高度相關，但三維映射測得的傳導速度（CV）更高。這種差異源于鈣成像的時空分辨率限制及二維投影的片面性，突顯了三維全表面記錄的優勢。圖5. 自發性跳動的心臟類器官的三維活化映射。
在異丙腎上腺素處理后，三維CV映射進一步顯示傳導加速（均值從5.12升至6.28 cm/s），且傳播模式呈現區域異質性，提示類器官內細胞類型分布不均。這種空間分辨能力為研究心律失常機制（如傳導阻滯或折返）提供了新工具。
圖6. 3D傳導速度映射及與鈣成像的一致性驗證。
總結：研究團隊開發的殼層微電極陣列技術，通過全表面三維電生理映射，解決了心臟類器官研究中的關鍵瓶頸。其創新設計、長期監測能力及多模態集成優勢，為心臟疾病建模和藥物測試提供了更精準、高效的平臺。這一突破不僅推動了類器官技術的功能化進展，還可擴展至腦類器官、骨骼肌類器官等電活性組織模型。其高通量制造潛力（晶圓級加工）與微機電系統（MEMS）兼容性，為大規模藥物篩選和個性化醫療奠定基礎。
更新時間：2025-10-20
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