Nano Lett.：可扩展纳米陷阱诊疗增强电穿孔在细胞内动作电位记录中的研究进展
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在细胞电生理传感领域取得突破，成果发表在国际顶级期刊Nano Letters，标题为“Scalable Nanotrap Matrix Enhanced Electroporation for Intracellular Recording of Action Potential”。 该论文第一作者为博士研究生徐冬馨，胡宁研究员为该论文通讯作者。
电生理记录在生物医学基础研究和临床实际应用中发挥着至关重要的作用，是人们长期探究的目标。在已开发的技术中，三维垂直微/纳米器件已经成功地实现了对电兴奋细胞及其网络的细胞内动作电位记录。然而，费时费力的制造过程仍然是阻碍其进一步推广和发展的共同问题。在同一平台中兼顾简单性、稳定性和灵敏度仍然是一个巨大的挑战。
在这项研究中，我们开发了一种基于聚对苯二甲酸乙二醇酯多孔膜的纳米陷阱微电极，其与大规模微加工技术兼容。纳米陷阱不仅促进了细胞膜向中空结构的延伸，而且为细胞内记录提供了独特的纳米边缘电穿孔。我们证明了这种可扩展的纳米陷阱可以有效地增强细胞-电极耦合，并且比传统的平面电极获得更大的细胞内信号。微创的纳米陷阱也记录到了超过100分钟的细胞动作电位，且允许在短时间内进行连续电穿孔以有效地按需提供细胞内记录。本研究表明，调节细胞-电极纳米界面的几何形状可以显著提高纳米电极的细胞内记录性能。
图一. 纳米陷阱微电极用于心肌细胞胞内电生理记录
图二. 可扩展的纳米陷阱-电穿孔调节实现高质量的细胞内动作电位记录
我们基于标准的微加工技术（光刻和磁控溅射）制备了可扩展的纳米陷阱器件，这大大提高了制造效率并降低了成本。纳米陷阱结构促进了紧密的细胞-电极耦合，并且增强了电穿孔获得细胞内通路的效果。此外，纳米陷阱可以显著改变细胞膜的曲率，先前的研究表明，高度正的曲率促进电穿孔纳米孔的形成并延长其再密封时间，从而提高细胞内记录的质量和持续时间。因此，我们采用四种规格的多孔膜作为可扩展纳米陷阱电穿孔调节的基底（纳米陷阱的直径分别为270 nm、390 nm、1200 nm、2000 nm）。
图三.纳米陷阱器件的制备与表征
为了验证细胞内记录的可行性，我们选择了一种直径为360 nm的纳米陷阱器件培养原代新生大鼠心肌细胞。3-4天后，细胞在器件上自发节律性搏动，在电穿孔之前，器件记录到的信号表现出细胞外记录的特征:一个振幅约200 μV的短期尖峰。电穿孔瞬间增加了细胞膜通透性，显著降低了细胞-电极界面的阻抗，并大大提高了纳米陷阱电极记录的信号质量。电穿孔后信号幅值增大至4.32 mV，且具有典型的去极化、复极化和静息相。将纳米陷阱电极与传统的平面电极进行比较，纳米陷阱电极记录的细胞内动作电位振幅(1.93 mV)和信噪比(41.48 dB)远高于平面电极记录的振幅(0.34 mV)和信噪比(22.91 dB)，证明了可扩展的纳米陷阱有利于增强细胞-电极耦合，从而实现紧密密封和有效的电穿孔改善信号质量。
图四. 纳米陷阱器件用于细胞内动作电位记录
在信号传输和电穿孔效应方面，细胞-电极界面对细胞内记录具有重要意义。基于可扩展的纳米陷阱器件，我们可以通过调节纳米陷阱的直径和密度来优化细胞-电极界面。因此，我们采用直径为270 nm、390 nm、1200 nm和2000 nm，周长分别为2363.32±73.78 mm-1、662.36±27.22 mm-1、644.50±24.83 mm-1和83.03±6.02 mm-1的纳米陷阱来研究几何效应。通过界面表征和电信号统计分析，我们发现直径为270 nm和390 nm的纳米陷阱器件记录的细胞内动作电位比直径为1200 nm和2000 nm的器件记录的动作电位具有更高的振幅、信噪比和更长的持续时间。因此，我们推断具有较长周长的纳米陷阱器件在细胞内记录中表现更好，其具有更多的位点与心肌细胞结合以增强密封并促进边缘电穿孔，从而实现高质量的电生理检测。
图五. 可扩展纳米陷阱器件增强电穿孔以获得高质量细胞内记录
由于纳米陷阱电穿孔的微创性和持续性，纳米陷阱电极提供了重复和长时间的细胞内记录，促进了按需和长期的药理学研究。离子通道阻滞剂进一步用于证明纳米陷阱器件在药理学分析中的能力。将浓度为100 nM的维拉帕米(一种缩短动作电位的Ca2+通道阻滞剂)给予细胞并孵育10分钟，细胞内动作电位的放电速率和持续时间的细微变化可以通过纳米陷阱器件灵敏地检测到，且基于高通量纳米陷阱器件，维拉帕米对动作电位传播速度的影响可以被分析得出，这证明我们的纳米陷阱器件在从单个细胞内信号到细胞网络传播的药理学筛选和心脏病学研究中具有巨大的潜力。
图六. 纳米陷阱器件按需和长时间的细胞内记录用于离子通道阻滞剂试验
该研究工作获得国家自然科学基金（62171483、82061148011、62104264）资助。
Dongxin Xu, Jiaru Fang, Hao Wang, Xinwei Wei, Jinhu Yang, Hongbo Li, Tao Yang*, Ying Li*, Chuan Liu*, Ning Hu*, Scalable Nanotrap Matrix Enhanced Electroporation for Intracellular Recording of Action Potential, Nano Letters, 2022. 22, 18: 7467–7476.
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c02398
