基于中脑胶质母细胞瘤类组装体的电生理传感器，采用双通道柔性金纳米点图案电极来评估抗癌药物的效果

《Biosensors and Bioelectronics》：Glioblastoma-midbrain assembloid-based Electrophysiological sensor composed of dual-channel flexible Au nanodot patterned electrodes to evaluate cancer drug

3D电生理传感器结合GBM-MB组装体实现动态药物筛选与神经交互研究。通过激光干涉 lithography制备金纳米点阵列柔性电极，并利用NT3/GNP水凝胶增强组装体电传导与神经连接，成功监测到药物Everolimus显著抑制GBM电信号传导，同时揭示GBM对MB的神经调控作用。

　　脑类器官和组装体（assembloids）作为研究脑相关疾病的重要工具，近年来在神经退行性疾病和脑癌等领域的应用逐渐增多。然而，基于脑组装体的体外药物评估模型仍然存在局限性，尤其是在持续监测药物诱导的电生理信号方面。目前，大多数电生理传感器设计用于二维（2D）细胞培养系统，这些系统难以准确反映三维（3D）脑类器官的复杂结构和功能特性。为了克服这一障碍，研究人员开发了一种新型的三维电生理传感器，能够实现对脑组装体活动的持续监测，为药物筛选和毒性评估提供了更精确的平台。

本研究的重点是构建一种由胶质母细胞瘤（GBM）和中脑（MB）类器官组成的脑组装体，并结合双通道柔性金纳米点（Au nanodot）图案电极，以实现对电生理信号的实时、连续监测。这一系统不仅能够捕捉到药物对肿瘤行为的影响，还能够揭示GBM类器官状态对中脑类器官的潜在影响。此外，研究团队还设计了一种结合神经生长因子-3（NT3）和金纳米颗粒（GNP）的可粘附性水凝胶，作为临时支撑基质，以促进细胞间的稳定相互作用和生长。这种水凝胶的可降解特性使得NT3修饰的GNPs能够逐步释放，从而增强神经发生并巩固GBM-MB组装体内的连接性。

GBM是一种高度侵袭性的脑肿瘤，其治疗仍然是医学领域的一大挑战。传统的体外研究方法通常依赖于二维细胞培养，但这种方法无法充分模拟人体内复杂的肿瘤微环境和细胞间相互作用。因此，研究人员开发了多种三维培养系统，如肿瘤球体、神经球体和类器官，以更好地再现肿瘤的生物学特性。然而，这些模型在电生理信号的连续监测方面仍然存在不足。为此，本研究引入了一种双通道柔性电极系统，能够对多个类器官进行独立监测，从而更全面地了解药物对肿瘤行为的影响。

研究团队采用激光干涉光刻技术制造了Au纳米点图案化的薄膜，并将其结合到基于聚合物的三维凹槽模具中，形成柔性Au纳米点图案电极。这种设计显著提升了电生理信号的检测能力，使得研究人员能够更准确地捕捉到药物对肿瘤细胞活动的影响。同时，通过将GBM和MB类器官整合到NT3/GNP水凝胶中，研究团队成功增强了组装体内的电导率和神经连接性，从而提高了信号的稳定性和灵敏度。在实验过程中，研究人员使用该系统对GBM-MB组装体的电生理信号进行了连续监测，并验证了Everolimus（一种抑制mTOR通路的抗癌药物）对肿瘤行为的有效抑制作用。

mTOR通路在GBM的生长和侵袭中起着关键作用，其激活通常与NF1和PTEN基因的缺失有关。通过使用Everolimus处理GBM-MB组装体，研究团队发现该药物能够显著降低细胞的增殖和生长速率，从而验证了该系统的有效性。此外，电生理信号分析还揭示了GBM类器官状态对MB类器官的潜在影响，表明这种组装体模型能够更好地模拟肿瘤与周围脑组织之间的复杂相互作用。这一发现对于理解脑肿瘤的发病机制和开发新的治疗策略具有重要意义。

本研究的创新之处在于，其不仅解决了传统电生理传感器在三维类器官模型中的局限性，还为药物筛选和毒性评估提供了更加精确和全面的工具。双通道柔性电极系统能够独立监测每个类器官的电生理活动，从而避免了传统方法中因电极接触面积有限而导致的信号干扰。这种设计使得研究人员能够更清晰地观察到药物对不同类器官的特定影响，为个性化医疗和精准治疗提供了新的思路。

除了药物评估，该三维电生理传感器在研究脑肿瘤与周围组织的相互作用方面也具有重要价值。脑肿瘤不仅影响肿瘤细胞本身，还会对周围的神经组织产生广泛的影响，包括炎症反应、氧化应激和神经退行性变化。通过将GBM和MB类器官整合到同一个组装体中，研究人员能够更真实地模拟这些复杂的病理过程，从而更深入地探讨肿瘤对大脑功能的影响。此外，这种模型还能够用于研究其他类型的脑疾病，如神经退行性疾病和脑损伤，为相关疾病的机制研究和治疗开发提供了新的方向。

研究团队还对NT3/GNP水凝胶进行了多种性能评估，包括紫外-可见分光光度计（UV-Vis）光谱分析、动态光散射（DLS）测量、循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）分析。这些分析结果表明，该水凝胶具有优异的导电性和生物相容性，能够作为理想的支撑基质，促进神经组织的生长和发育。此外，水凝胶的可降解特性使其在药物处理后能够逐渐释放NT3修饰的GNPs，从而在不影响细胞正常功能的前提下，增强神经连接并支持细胞的长期培养。

本研究的成果不仅推动了脑类器官技术的发展，还为未来的药物筛选和治疗策略提供了重要的技术支持。通过结合先进的电生理监测技术和生物工程材料，研究人员成功构建了一个能够模拟复杂脑肿瘤微环境的体外模型。这种模型的应用范围不仅限于GBM，还可以扩展到其他脑疾病的研究，为精准医疗和个性化治疗提供了新的可能性。此外，该系统的开发也为相关领域的研究人员提供了一个可复制的实验平台，有助于进一步探索脑疾病的机制和治疗方法。

在实验过程中，研究团队还详细描述了材料的制备和类器官的生成过程。所有化学试剂和实验材料的使用都遵循了严格的实验规范，并在补充信息中进行了详细说明。GBM类器官的生成涉及基因编辑技术，如CRISPR/Cas9和转座子介导的突变，这些技术能够精确地引入致癌突变，从而更真实地模拟肿瘤的发病过程。MB类器官的生成则采用了自组织的方法，基于人类诱导多能干细胞（hiPSCs）的分化，能够形成具有特定功能的神经组织，如多巴胺能神经元。

为了确保实验的可重复性和可靠性，研究团队对所有实验步骤进行了标准化处理，并对实验结果进行了多次验证。通过使用高分辨率的电生理监测技术，研究人员能够捕捉到组装体在不同条件下的动态变化，从而更全面地评估药物的作用机制。此外，实验过程中还对水凝胶的性能进行了详细测试，确保其在不同环境下的稳定性和适用性。这些实验方法的优化不仅提高了研究的科学价值，还为未来的研究提供了可借鉴的经验。

在数据采集和分析方面，研究团队采用了多种先进的技术手段，包括电生理信号记录、细胞活性检测和分子生物学分析。这些方法的综合应用使得研究人员能够从多个角度评估药物对肿瘤细胞和神经组织的影响，从而更深入地理解疾病的生物学机制。通过对比不同处理条件下的实验结果，研究团队能够更准确地判断药物的有效性和安全性，为临床应用提供了重要的参考依据。

本研究的成果表明，三维电生理传感器在脑疾病研究中的应用具有广阔的前景。传统的体外模型虽然在一定程度上能够模拟肿瘤的生长特性，但它们在电生理信号的连续监测方面存在明显不足。而本研究开发的双通道柔性电极系统能够克服这一限制，为药物筛选和毒性评估提供了更加精确和高效的工具。此外，该系统的可扩展性也为其在其他脑疾病研究中的应用奠定了基础。

随着脑类器官技术的不断发展，越来越多的研究开始关注如何将这些模型与先进的生物传感器技术相结合，以实现更全面的疾病研究。本研究的三维电生理传感器正是这一趋势的代表，它不仅能够提供高质量的电生理数据，还能够支持长期的细胞培养和动态监测。这种技术的突破将有助于研究人员更深入地探索脑疾病的复杂机制，并开发出更加有效的治疗策略。

在实际应用中，该三维电生理传感器可以用于评估多种药物对脑肿瘤细胞和神经组织的影响，为新药的研发提供重要的实验依据。此外，该系统还可以用于研究脑肿瘤与其他神经系统疾病之间的相互作用，为跨学科的研究提供了新的视角。通过不断优化和改进这种技术，研究人员有望在未来实现更加精准的疾病诊断和治疗方案。

总之，本研究开发的三维电生理传感器结合了先进的生物工程技术和精密的电生理监测手段，为脑疾病研究和药物评估提供了一个全新的平台。这一技术的突破不仅有助于加深对脑肿瘤生物学特性的理解，还为未来的治疗策略提供了重要的支持。随着相关技术的进一步发展，三维电生理传感器将在脑科学研究和医学应用中发挥越来越重要的作用。