与以色列特拉维夫大学国际合作研究：细胞电子学研究进展
细胞电生理研究的心脏病学与神经科学研究的重要手段，通常围绕心肌细胞或神经细胞等可兴奋细胞展开，是疾病机理研究和药物筛选重要方法。然而传统金标准的膜片钳技术存在的通量低，有损的缺陷，因此，无法开展长时细胞胞内电生理研究。为了克服这些缺点，先进细胞内电信号记录的策略被发展起来，包括三维纳米电极与化学修饰、光、电等辅助穿孔的策略，其可以有效地穿透细胞膜，以微创的方式实现高质量的细胞内记录；以及细胞膜的瞬态电穿孔，其作为一种方便、低成本的技术可以获得暂时、大规模的细胞内访问。然而，三维纳米电极的制备过程复杂、成本高；电穿孔受限于不同应用方法的不一致性和次优性。这些因素阻碍了三维纳米电极和电穿孔在电生理研究中的广泛使用。因此，需要建立一个基于低成本的电极阵列施加可调控电穿孔通用的研究平台，能同时进行动作电位的记录与评估，优化细胞内电生理研究。
近日，浙大科创超分子新物质创制创新工坊胡宁研究员课题组、以色列特拉维夫大学Tal Dvir教授课题组、中山大学中山医学院曹楠教授课题组的合作研究成果，在Biosensors and Bioelectronics上发表了通用、多模态的细胞生物传感平台用于优化细胞内动作电位记录的研究，开发通用的细胞电生理传感平台，建立一种新型的优化细胞内动作电位记录的策略。
图1. 通用、多模态的细胞生物传感平台用于优化细胞内动作电位记录
图2. 多模态、通用的细胞生物传感平台的建立与表征。(A) 微电极阵列(MEA)器件的加工工艺流程。 (C) 大规模制造包含25单元的MEA器件阵列。(D) MEA器件的显微照片。(E) 单个工作电极的显微照片。(F)在MEA上培养4天的大鼠原代心肌细胞的显微照片。(G-I) 在MEA器件上培养4天后心肌细胞的活性表征。(J) 集成多通道电穿孔和电信号记录平台的系统框图，包括电信号调节模块(绿色)，脉冲电穿孔模块(蓝色)，数据采集卡模块(黄色)和定制的LabVIEW程序模块(红色)。(K)仪器装置和系统照片。(L)配套开的基于LabVIEW程序用于信号采集、显示、存储和电穿孔脉冲控制
图3. 基于多模态电穿孔调控优化细胞内记录电信号的幅值。(A) 基于MEA装置的传感/刺激电极阵列的多模态电穿孔原理图。(B) 典型的自发细胞外电信号(i)，电穿孔后细胞内电信号(ii)和细胞膜再密封后细胞外电信号(iii)。(C) 振幅为1.5-4 V的电穿孔后典型的细胞内电信号。(D-G) 不同电穿孔脉冲幅值下记录到细胞内电信号的概率(D)、持续时间(E)和相较于胞外电信号的幅值变化倍数(F)、信噪比变化大小(G)
图4. 协同调控电穿孔的振幅和脉冲数用于细胞内电信号记录。(A) 在不同电穿孔幅度(3-4 V)和脉冲数(5-30个)作用下，记录到的典型细胞内动作电位。(B-D) 不同条件下记录细胞内动作电位的效率(B)、持续时间(C)、相较于细胞外动作电位的信噪比变化大小(D)。(E) 不同电穿孔振幅和脉冲数下记录细胞内电位的效率。白色星形表明较高的细胞内电信号记录概率，超过94.9%。
图5. 电穿孔脉宽和脉冲数对细胞内记录的协同影响。(A) 在具有相似有效电穿孔能量（振幅为3.5 V，电穿孔时间相同）的电脉冲作用下，记录到的典型细胞内动作电位。(B-E) 不同电穿孔脉冲数和脉冲宽度作用下，记录到细胞内电信号的效率(B)、持续时间(C)、相较于胞外电信号的幅值变化倍数(D)、信噪比变化大小(E)。
图6. 集成的多模态电穿孔和电信号评估平台用于高效和高内涵的细胞内记录。(A) 通过施加多模态电穿孔记录心肌细胞内动作电位，并通过多模态评估模块进行分析。(B-E) 不同电穿孔振幅和频率下对电穿孔效果进行高效率和高含量评价。评价标准为细胞内效率(B)、持续时间(C)、相较于胞外的幅值变化倍数(D)、信噪比变化大小(E)。白色星形表示给定标准下的最佳电穿孔效果。(F) 在优化的条件下对细胞施加连续电穿孔并成功记录到细胞内动作电位
通用、多模态的细胞生物传感平台通过电穿孔实现一致、高质量的细胞内记录。该系统可以适用于任何电极阵列传感调控，并通过仪器脉冲参数设置功能实现可调控的电穿孔，同时对记录的胞内电信号进行实时分析评估，以提供对电穿孔效果的即时反馈。该传感系统平台使研究者以一种便捷的方式施加电穿孔，并记录和评估获得的信号，实现稳定、可靠的细胞内记录，为实现更大规模、可重复、方便和低成本的电生理研究提供了有力的工具。该研究工作发表在生物传感与生物电子学权威期刊Biosensors and Bioelectronics上，受国家自然科学基金国际合作项目与以色列科学基金会项目的支持。
该工作是胡宁研究员课题组近期关于多模态心肌细胞传感调控技术研究的最新进展之一。兴奋收缩耦联是心肌细胞重要的生物学特性，与心脏的泵血功能密切相关，如何在细胞水平获取高内涵的兴奋收缩耦联信息是细胞传感领域重要的科学问题。针对常规心肌细胞传感检测系统存在的参数单一、信号异步问题，开发了心肌细胞电机一体化传感检测技术（Biosens. Bioelectron.2018, 117, 354），实现了对心肌细胞胞外电信号与机械搏动信号的同步检测。为了进一步提高研究对象的分辨率与统一性，研制了单细胞电生理与机械搏动的传感系统（Biosens. Bioelectron.2022, 212, 114387）。为了克服现有胞内传感技术的劣势，基于三维微纳传感电极结合物理化学穿孔透膜调控技术可以与胞内形成有效耦合，从而获取高质量的胞内电信号。基于这一研究理念，采用聚焦离子束制备了三维纳米柱传感器件，建立了心肌细胞胞内胞外电生理传感系统（Nano Lett.2020, 20, 2585），为了更好的开展三维传感器的结构参数调控，提出了模板法制备三维纳米电极（Nano Lett.2022,22, 2479）。通过高效的水热合成与标准的微加工工艺制备了三维氧化锌纳米结构器件，配合并行的电穿孔调控技术，实现了多通道、高效、长时、动态的胞内电信号传感检测（Biosens. Bioelectron.2020, 169, 112588），并进一步开发了胞内胞外同步传感检测与分析技术，探索心肌细胞胞内与胞外电信号的关联性（Biosens. Bioelectron.2021, 192, 113501），此外，所建立心肌细胞传感系统，还为动态、定量地研究细胞膜愈合演变机制提供了实用的平台（Biosens. Bioelectron.2022, 202, 114016）。通过建立高效、自动化的传感调控系统（Biosens. Bioelectron.2022, 209, 114252），精确地探索了心肌细胞电刺激调控中电脉冲的幅值、数量、脉宽对高质量胞内电信号传感的协同作用（Biosens. Bioelectron.2022, 206: 114122），并利用这些多模态的心肌细胞传感调控技术，实现了对经典的FDA市场撤回和限制药物心脏毒性的特异性高效分析筛选（Biosens. Bioelectron.2015, 67, 146），并采用多标签神经网络方法实现对药物类别与浓度识别分析（Biosens. Bioelectron.2022. 209. 114261），采用非线性动态分析算法与相关性分析实现对心律失常搏动信号的自动化准确分析（Microsyst. Nanoeng.2022, 8, 49; Microsyst. Nanoeng.2021, 7, 24），以及对各类离子通道药物的高特异性识别（Biosens. Bioelectron.2020, 162, 112273）。
项目合作方以色列特拉维夫大学是以色列规模最大、最全面的的国立综合性大学，拥有9大学部、超过125个学院和学系、数百个研究中心和实验室，覆盖文、理、工、生命、医学、艺术等多个门类，在以色列大学中的研究成果排名第一，引用影响以色列国内排名第一、世界排名前20。特拉维夫大学是以色列首台超级电子计算机的诞生地，该校的研究集中在电子器械、系统工程、电子计算机学以及生态学领域。特拉维夫大学还是以色列最重要的研究中心之一，参与超过5000个创新项目，涉足传统学科和前沿领域，包括生物信息学和纳米技术等。特拉维夫大学与欧美许多顶尖大学与机构紧密合作。校园位于以色列第二大城市、第一大都会之心的特拉维夫，这是以色列文化、商业与科技中心，更有着浓厚的创新创业氛围，是众多新创公司聚集地。
作者简介
胡宁，浙江舟山人，浙江大学杭州国际科创中心、化学系双聘研究员，博士毕业于浙江大学生物医学工程专业，浙江大学竺可桢奖学金获得者，曾在哈佛大学医学院、塔夫茨大学工学院从事博士后研究工作。博士与博士后期间分别受生物传感技术领域专家王平教授与微纳生物电子学领域专家姜晓成教授指导。专注于微纳电子学与生物医学传感交叉学科领域的研究十多年，集中于生物医学传感检测技术开发、微纳生物传感器件与试剂制备、多模态一体化传感系统研制、及其在生物医学中的研究与应用，解决生物、医学、环境、药学领域里高灵敏、高准确、高通量并行传感检测分析的难题。主持国家自然科学基金国际合作研究项目（中国-以色列）、面上项目、青年科学基金项目、国家教育部人才培养项目、中科院传感技术联合国家重点实验室项目等13项，参与国自然、国家海洋局、科技部等重大科研仪器研制类项目10多项。已在国际知名期刊Chemical Reviews (IF=60.622)、Biosensors and Bioelectronics (IF=10.618) 、Nano Letters (IF=11.189)、Nano-Micro Letters (IF=16.419)、PNAS (IF=11.205)等共发表SCI论文100多篇，其中62篇为一作或通讯作者；申请与授权专利30多项。基于生物医学传感技术的研究成果，撰写中英文著作5部。有关生物医学传感技术的研究与应用成果分别获得教育部技术发明二等奖与自然科学二等奖。担任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology副主编、VIEW青年编委、Journal of Zhejiang University-Science A青年编委、Biosensors客座编辑。
个人主页链接：https://person.zju.edu.cn/zjuhuning
Tal Dvir，以色列特拉维夫大学教授，在心脏组织工程，生物材料，三维生物打印，心脏电生理和动物模型心脏修复方面拥有丰富的理论与实践经验，博士毕业于以色列本-古里安大学，曾在美国麻省理工大学Robert Langer院士实验室从事博士后研究，现担任特拉维夫大学再生生物技术研究中心主任，相关研究成果共发表SCI论文50多篇，其中以第一/通讯作者发表在Nature Materials (IF: 43.8)、Nature Nanotechnology (IF: 39.2)、Nature Biomedical Engineering (IF:25.7)、Nature Reviews Materials (IF: 66.3)、Nature Reviews Cardiology (IF: 32.4), Proceedings of the National Academy of Sciences (IF: 11.2)、Nano Letters (IF: 11.1), Advanced Materials (IF: 30.8)等国际顶级期刊上，申请国际/美国发明专利12项，授权4项。
个人主页链接：https://dvirlab.wixsite.com/dvirlab
曹楠，现任中山大学中山医学院教授，基金委优秀青年科学基金（2021）和国家高层次引进人才青年项目获得者（2017），国家重点研发计划青年首席科学家（2018），广东省医学领军人才（2018）。2007年于武汉大学生命科学学院获得学士学位；2012年于中科院上海生命科学研究院获得细胞生物学博士学位；于2012年起在美国加州大学旧金山分校戴维•格拉斯通研究所（J. David Gladstone Institutes）从事博士后研究。2017年获聘中山大学“百人计划”引进人才。主要从事心血管细胞命运调控机理研究及心脏再生修复新策略/药物研发。在 Science (IF: 47.7)、Nature (IF: 50.0)、Nature Cell Biology. (IF: 28.8)、Nat Biomedical Engineering. (IF:25.7)、Cell Research. (IF: 25.6)、Cell Stem Cell (IF: 24.6)、Circulation Research. (IF: 17.4)、Nature Communications (IF: 14.9)等著名期刊上发表SCI学术论文27篇。申请/获授权国际PCT专利3项、美国专利2项、及中国发明专利4项。开发的心血管细胞诱导和培养技术已被经典教科书 Methods in Molecular Biology收录。研究成果入选两院院士评选的2016年世界十大科技进展并获得2020年国家科学技术进步奖二等奖。一系列工作得到了科学和公众媒体的广泛关注，被包括 ABC News, Voice of America, News USA, Yahoo News, Science Daily, Science News, 生物谷, 丁香园等40余家国际国内媒体相继报道，获评ESI高被引论文并获得F1000推荐。多位专家在Nature、Cell Stem Cell、Circ Res.等著名期刊对上述成果发表了专门评述。
个人主页链接：https://zssom.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/341
文章详情
题目：A Universal, Multimodal Cell-Based Biosensing Platform for Optimal Intracellular Action Potential Recording
作者：Dongxin Xu1, Jiaru Fang1, Moran Yadid1, Mingyue Zhang1, Hao Wang, Qijian Xia, Hongbo Li, Nan Cao, Tal Dvir, Ning Hu*
链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566322001622
