基于电子皮肤的类心脏芯片

研究背景

干细胞衍生的心脏器官的动态机械特性可以提供重要的生物线索,以了解人类心脏组织如何生长并对电刺激(ES)和药物制剂作出动态反应。因此，心脏器官可能成为下一代模型，以更好地了解心血管功能和疾病，指导个性化医疗的发展。然而，在其自然的生理微环境下，直接和即时地测量其机械性能一直是一个挑战。目前，光学成像是跟踪心脏组织跳动的主流方法，要么记录其抽动运动，要么用荧光染料染色后绘制Ca2+通量图，但它并不能直接测量机械特性。虽然基于经典光束理论的机械模型可以将视频转换为运动，然后转换为力，但超大量的光学成像数据存储和后处理要求阻碍了对心脏类器官机械特性的直接和实时表征。另一方面，正在开发将心脏组织与软性电子传感器或所谓的电子皮肤相结合的技术。准确和即时探测机械性能的根本限制在于柔软的曲线型组织与刚性的、平面的和笨重的电子传感器之间的力学和拓扑结构不匹配。

研究成果

干细胞衍生的心脏器官的延时机械特性是了解人类心脏组织、心血管功能和疾病的收缩动力学的重要生物线索。然而，由于心脏器官是拓扑复杂的三维软组织，悬浮在生物介质中，这使得力学和拓扑结构与最先进的力传感器不匹配，而力传感器通常是刚性的、平面的和笨重的，因此直接、即时和准确地表征这种机械特性仍然很困难。在此，澳大利亚莫纳什大学程文龙教授团队提出了一种基于超敏感的电阻式纳米铂金薄膜的软电阻式力感应膜片，它可以通过氧等离子体键合工艺被集成到一个全软的培养井中。结果表明，一个可靠的有机体与膜片的接触可以通过一个"类似原子力显微镜"的过程建立。这使得在电刺激、复苏、药物剂量、组织培养和疾病建模过程中，可以即时检测到有机体的微小收缩力和跳动模式。相关研究以“A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly”为题发表在Nature Communications期刊上。

总结与展望

综上所述，作者报告了一种简单而有效的策略来制造一个柔性类器官传感器，它仅由PDMS和铂金薄膜制成，对自然类器官培养环境的干扰最小。PDMS 支持的纳米铂金薄膜作为力感应膜片，提供了即时检测心脏类器官收缩/放松事件所需的卓越灵敏度和快速反应。类似于原子力显微镜的软性啮合能够建立可靠的类器官与膜片的接触，这对于实现高信噪比至关重要。此外，与以前的悬臂压痕系统测量有机体的生物力学特性相比，这种类似原子力显微镜的软接触方法固定非粘附的有机体是有优势的。它是快速、方便、可逆的，并且可以在自然培养皿条件下应用于单个类器官。尽管该传感器很简单，但它功能强大，能够在复杂的微环境下，包括电刺激、电复苏、药物剂量、组织培养和疾病建模，即时识别心脏类器官收缩/放松过程的关键机械特征(例如， 跳动频率、强度、跳动模式的规律性等)。所展示的对细胞培养箱内"培养中"的器官进行无线和远程监测的能力，预示着随时随地自动虚拟组织培养监测系统的前景非常可观。该柔性电子传感器设计代表了一种潜在的实时检测小规模生物力的通用途径。它可以扩展到检测来自其他目标的生物力，如肺和肌肉组织，甚至来自小动物的力，如蠕虫和水熊。

文献链接

A soft and ultrasensitive force sensing diaphragm for probing cardiac organoids instantaneously and wirelessly

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34860-y

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！