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电生理学测量从二维拓展到三维

科学 2019-08-27 08:42:38

来源:科技日报   责任编辑:李琦

导语

美国卡内基梅隆大学和新加坡南洋理工大学的研究人员开发出一种称为“电子芯片上的器官”的平台,该平台可利用生物电传感器对心脏细胞的电生理学进行三维测量。相关研究成果发表在最近的《科学进展》杂志上。

  研究人员将一系列由金属电极或石墨烯传感器制成的传感器阵列固定在芯片表面,然后蚀刻出一个锗金属底层。移除这个底层后,生物传感器阵列就可释放并以桶形结构从表面卷起。

  研究团队在心脏球体(由心脏细胞制成的细长器官)上测试了该平台,这些三维心脏球体的宽度约为2—3根人类头发。通过将平台盘绕在球体上,可高精度地收集电信号读数。他们通过对卷起过程的力学分析精确地控制传感器的形状,以确保传感器与心脏组织之间的接触。该技术还可自动调节传感器和组织之间微妙“接触”的水平,以避免因外部压力而改变组织的生理条件,从而测量出高质量的电信号。

  多年来,电生理学测量只能在二维组织培养皿中培养的细胞上完成。但现在,这些惊人的电生理学技术可以应用于三维结构。研究人员表示,其创建的三维自卷生物传感器阵列可探索源自心肌细胞的诱导多能干细胞的电生理学,研究心脏组织再生和成熟,可用于治疗心脏病发作后的受损组织或开发治疗疾病的新药。

  研究人员表示,“电子芯片上的器官”技术还有助于开发和评估用于疾病治疗的药物功效,甚至可直接在人类组织上筛选药物和毒素,而不是在动物组织上进行测试。

  总编辑圈点

  生命现象大多都伴有生物电的变化,电生理学也是随着电子仪器和电生理技术的进步发展而来。其实,就连小小的细胞,也有电活动。观察细胞活动时的电变化,可以在微观层面了解正常状态下生物电变化的机制,也可以探索疾病时异常状态下的生物电现象。文中所说的三维自卷生物传感器阵列,身段灵活柔软,还能自行调节自己和组织之间的接触水平,从而实现高精度的电信号信息收集。而电生理学测量技术的进步,也为新的药物研发平台的诞生提供了可能性。

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