SphereChip 利用微流控技术将球状体和类器官贴附于平面多电极阵列

《Lab on a Chip》：SphereChip attaches spheroids and organoids to planar multielectrode arrays with microfluidicsOpen Access

　　

人源心肌和神经干细胞来源的球状体和类器官正在成为药物发现与药物安全性研究的新兴模型。其电生理特性常借助多电极阵列（multielectrode arrays，MEA）研究。然而，平面 MEA 与这些圆形三维细胞模型之间难以建立充分电极接触；心脏三维模型收缩以及加药时溶液流动所致运动伪影，也会中断记录。为此，研究人员提出一种微流控器件（后称 SphereChip），可快速、稳定地将自由悬浮的球形细胞模型如 cardiospheres、cardioids 和 neurospheres 贴附到常规平面 MEA 上。该器件降低运动伪影并实现完全换液，已在两种 MEA 设计上用于小心肌/神经球状体（直径 300–500 μm）和较大 cardioids（800–900 μm）的场电位测量与荧光探针同步成像。研究人员观察到 Kv1.11 抑制剂 E4031 与 dofetilide 对 cardiospheres 的动作电位和场电位呈浓度依赖性延长；在 neurospheres 中，Kv7.2/7.3 激活剂 ML213 降低放电（spiking）与爆发（bursting）。这些结果证明该微流控器件可作为器官芯片（organ-on-a-chip）平台，结合平面 MEA 对球形细胞模型进行场电位测量与同步成像，适用于不同 MEA 格式，在药物测试与毒性研究中具有应用前景。

研究背景方面，三维（3D）心肌与神经球状体及类器官因具有近似体内组织的多细胞组成和细胞间互作，在药理与毒理研究中优于单层培养。但圆形几何形状使自由悬浮模型难以稳定贴附平面多电极阵列（multielectrode array，MEA）；心肌模型收缩、加药流体会引起运动伪影并破坏电极接触。已有表面包被、柔性电子、穿透式 3D 电极、吸孔微腔 MEA、壳式 MEA、网式 MEA 等方案，但专用电极构造制备难、商业化有限。因此，研究人员开展替代路线：用石英玻璃微流控器件 SphereChip 将球状体/类器官压贴至常规平面 MEA，实现稳定场电位（field potential，FP）记录、同步成像与精确给药。

主要关键技术方法包括：制备人 iPSC 来源 cardiomyocytes、cardiac fibroblasts、endothelial cells 混合生成 cardiospheres，人神经球状体（neurospheres）由 iCell GlutaNeurons 与 iCell Astrocytes 2.0 生成；采用选择性激光诱导刻蚀制造 fused silica 微流控漏斗结构，经侧通道与 T 型件连接气垫移液器产生负压，将球状体固定于 MEA 电极区；兼容 Multi Channel Systems 的 60 钛氮化物电极 MEA（MCS/MEA）与 Axion Biosystems 的 64 PEDOT 电极 6 孔 MEA（Axion/MEA）；以电压敏感染料 FluoVolt 标记 cardiospheres，在倒置显微镜下以 sCMOS 相机与图像增强器同步采集成像；用药通过井内完全换液、漏斗残液稀释实现。

研究结果如下。

Attaching cardiac spheroids with SphereChip to a planar MEA：研究人员将 day 14 cardiospheres 置入收集漏斗，施加 ?1 至 ?3 mbar 负压使其部分表面接触 MCS/MEA 电极，可获 4 个左右电极接触；Axion/MEA 下为 1–3 个接触。场电位 r 波与 t 波清晰，振幅较 fibronectin 包被过夜贴附提高约 6.75 倍（MCS）与 7.5 倍（Axion）；chip 内外心率无显著差异，说明轻度负压不干扰基础电活动。

Simultaneous studies of drug effects on FPs and APs：研究人员用 FluoVolt 同步记录 FP 与动作电位（action potential，AP）。hERG（Kv1.11）抑制剂 E4031 与 dofetilide 浓度依赖性延长 FP 时长（field potential duration，FPD）与 APD₉₀；FP 的 t 波对应 AP 复极晚期。MCS/MEA 下 APD₉₀ 与 FPD 的半数有效浓度分别为 408±20 nM 与 220±15 nM；Axion/MEA 下 FPD EC₅₀ 为 238±186 nM。高浓度药物可诱发早期后除极（early afterdepolarization，EAD）。

Pharmacological studies on neurospheres：neurospheres 在 ?2 至 ?4 mbar 下贴附 MEA。钾通道抑制剂 4-aminopyridine（4-AP，60 μM）增加放电与爆发；Kv7.2/7.3 激活剂 ML213 与 4-AP 共用时，≥1 μM 即浓度依赖性抑制 spikes 与 bursts，在两种 MEA 系统均得到验证。

Advantages of the SphereChip technology：该器件无需 ECM 蛋白包被与长时间预孵育即可建立接触，信号幅度更高；可同步 FP 与荧光成像，揭示药物致心律失常机制；玻璃材质减少药物吸附且可重复使用；换液时球状体不离位，便于药理学研究。

Limitations and future prospects：商用 MEA 电极间距 100 μm 或 300 μm 已可评价药物，未来高密度 MEA 可提升空间分辨率；漏斗出口直径按模型调整，轻度负压不影响活性，更先进负压装置或可提升稳定性。

讨论部分总结：SphereChip 把球形模型几何适配到平面 MEA，解决自由悬浮 3D 模型接触差、收缩与加药位移问题，兼容多家 MEA，兼具大信号、同步成像、低吸附、可复用与精准给药优势，为心脏/神经球状体及类器官的药物电生理与毒理评价提供实用器官芯片方案。

结论部分翻译：研究人员构建并验证了带有集成微流控的新型基于 MEA 的器官芯片，可对心脏与神经三维细胞模型进行场电位测量。SphereChip 将球状体或类器官的几何形态适配到平面 MEA 表面，稳定电极接触，降低收缩对测量的影响，并允许精确给药。

论文发表于《Lab on a Chip》。