意大利理工学院大学&卡耐基梅隆大学Sci. Adv.:石墨烯微电极监测心肌细胞内动作电位

【引言】

监测神经元和心肌细胞的电活动对于研究大脑和心脏的电生理，研究神经退行性疾病或心脏疾病以及制定新的治疗策略至关重要。微电极阵列（MEA）平台已被广泛使用，因为它们能够通过同时测量来自成百上千个细胞的电信号来监视大型细胞集合体。在体外应用中，由于最近实现了新颖的二维（2D）和3D金属电极配置，MEA方法在准确度和高通量之间实现了理想的平衡，从而可以记录类细胞内动作电位（APs）。石墨烯的非凡性能，如生物相容性，高电导率和柔韧性，使其成为开发MEA和晶体管的理想选择，用以研究可兴奋细胞的电生理学。但是，迄今为止，基于石墨烯的器件仅限于细胞外场电势（FP）记录，该记录不能像使用膜片钳那样捕获AP的主要特征。这极大地限制了石墨烯微电极在体外电生理中的适用性，因为准确地监测细胞内AP的能力是毒理学研究和药物筛选测定的基本要求。

【成果简介】

石墨烯具有独特的电性能，是碳基生物传感器（如微电极和场效应晶体管）的候选材料。近年来，石墨烯生物传感器已成功用于在可兴奋细胞中进行动作电位的细胞外记录。然而，由于缺乏有效的细胞穿孔方法，细胞内记录仍然超出了它们目前的能力。意大利理工学院大学&卡耐基梅隆大学提出了一种由平面外生长的三维模糊石墨烯（3DFG）组成的微电极平台，该平台能够记录具有高信噪比的细胞内心脏动作电位。作者利用超快脉冲激光通过热载流子的产生来穿孔细胞膜，并在3DFG电极和细胞内区域之间建立紧密的接触。这种方法使能够检测药物对人源性心肌细胞动作电位形状的影响。结合激光穿孔的3DFG电极可用于全碳细胞内微电极阵列，以监测细胞的电生理状态。该成果以题为“Intracellular action potential recordings from cardiomyocytes by ultrafast pulsed laser irradiation of fuzzy graphene microelectrodes”发表在Sci. Adv.上。

【图文导读】

图1.3DFG SEM成像和光学表征

（A）5-μm 3DFG电极的SEM图像 （B）熔融石英（灰色），在800°C合成10分钟（红色）的3DFG和在800 °C合成30分钟（蓝色）的3DFG的UV-vis吸光度与波长的关系 （C）在可见光和近红外范围内3DFG介电常数的实部和虚部 （D）在1064 nm的超快（皮秒）脉冲激光激发下，在3DFG电极和PBS之间的界面上以不同的激光强度产生的光电流 （E）激光激发产生的光电流的电容和法拉第电流分量

图2.3DFG MEA-心肌细胞界面

（A）在3DFG-MEA上体外培养7天的hiPSC-CM的明场（I和III）和免疫荧光图像（II和IV）（B）在3DFG MEA上的hiPSC-CM的伪彩色SEM图像 （C）3DFG上HL-1细胞的横截面SEM图像。右图显示绿色的细胞核，蓝色的细胞质和红色的3DFG

图3.电生理记录

（A）使用3DFG-MEA和50-μm电极（n = 80个电极）对hiPSC-CM进行代表性的细胞外FP记录（B）渗透后在具有50μm电极的3DFG-MEA上记录代表性细胞内AP（n = 70个电极）（C）细胞膜重塑和细胞外FP叠加后细胞内偶联的时间稳定性

图4.对心肌细胞的复合作用

（A）施用2μME-4031后的代表性心脏FP和AP（B）各种浓度的硝苯地平给药前后的代表性心脏AP （C）施用100 nM多芬利特（DOF）前后的代表性心脏AP

【小结】

在这项工作中，作者介绍了基于3DFG的MEA平台，该平台能够记录人源性心肌细胞的细胞内电活动。通过3DFG独特的形态，光学和电化学特性的组合，可以进行AP记录。3DFG在超快脉冲激光照射下对细胞膜的拮抗作用归因于材料中热载流子的产生。3DFG MEA在测量心肌细胞培养物中的离子电流方面显示出最佳性能，可为细胞内AP提供高SNR，并允许准确检测药物对心脏离子通道的影响。3DFG上的细胞穿孔过程显示出极低的侵袭性，因为它可以在同一细胞上重复进行而不会影响其健康或自发的电活动。使用石墨烯电极进行细胞内AP记录的可能性为高性能，全碳MEA生物传感器件的实现铺平了道路。这些生物电子学可以提供一些基本功能，例如用于体内应用的高机械灵活性，用于长期实验的高生物相容性，用于药物筛选应用的低成本以及出于环境考虑而没有贵金属或污染材料的情况。未来的工作将包括通过导线或管的模板生长或表面化学修饰来稳定细胞内的记录。

文献链接：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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