国际合作新成果亮相！细胞电生理新策略带来无限可能
近日，浙江大学杭州国际科创中心超分子新物质创制创新工坊（简称超分子创新工坊）联合以色列特拉维夫大学、中山大学研发出一种通用、多模态的细胞生物传感平台，这种全新的策略不仅设备体积更小，研究效率更高，还可以用于优化细胞内动作电位记录研究，拥有广阔的产业化前景。该合作研究成果，发表在国际生物传感器与生物电子学知名期刊Biosensors and Bioelectronics（IF：10.6）上。这项国际合作成果到底是什么，我们一起来了解！ 心脏为什么会跳动？那是因为心脏肌肉细胞有自主发电的功能，正是这些看不见的“发电机”维系着人类的生命。为了破解人类健康的奥秘，精准理解这些电信号至关重要。正因如此，细胞电生理研究成了疾病机理研究和药物筛选的重要方法，与心脏病学与神经科学研究息息相关。目前，细胞电生物研究最靠谱的方式是使用膜片钳技术。因为靠谱，膜片钳技术被称为行业的“金标准”技术。但“金标准”也存在缺陷与不足，主要就体现在研究通量较低、实验操作复杂、效率不高，同时与基于标记光学传感的技术类似，对细胞有较大伤害，无法开展长时稳定的监测。为了克服这些缺点，世界各地的科学家都在探索有效的胞内电信号记录技术。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 更小体积更高效率打破壁垒探索新策略本次成果的主要完成人、科创中心“求是科创学者”胡宁研究员介绍，不同于传统的膜片钳技术，本次成果无需使用显微镜等复杂设备观测细胞电信号，而是采用了先进的生物传感与调控技术，研制胞内电生理研究平台，实现高质量的细胞胞内电信号记录，更加快速、高效、准确地完成细胞电生理研究。图2 膜片钳技术相关设备 图3 本次研究成果：一体式（左）与分体式（右）细胞电生理传感调控仪器该研究平台基于低成本的电极阵列施加可自定义的灵活调控电穿孔，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。它的特色一是大大提升了实验效率速度，传统检测一次往往只能测试一个通道信号，但采用新平台，实验者只要将细胞放入下图中红色盖子下方的玻璃腔体内，自主开发的软件系统就可以配合仪器，同步测试出多个通道的胞内电信号数据，可以毫不夸张地说，新技术可以在几周之内完成过去几个月、甚至半年的实验工作量。二是可以真正实现精准调控。针对传统设备电穿孔调控不精准的问题，平台采用多模态信号处理算法可以对记录的胞内电信号进行实时分析评估，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。三是传感调控技术具有较高通用性，适配场景丰富。研究团队已经开发了各类细胞生物传感调控平台，包括心肌细胞电生理传感调控系统、心肌细胞机械搏动检测系统、电生理-机械搏动一体化传感系统、光热修复电生理传感系统、多模式心肌细胞电刺激调控系统，从多细胞到单细胞精度，可用于心肌细胞电生理、机械特性、心肌修复、心肌组织催熟、心肌疾病模型、药物筛选等研究与应用。图3 团队基于多模态传感技术研制的多类心肌细胞传感调控系统更低成本更多可能应用前景广阔胡宁研究员表示，他们研发的平台具有软硬件各方面的技术自主性，同时具有仪器设备体积小、成本低等特点，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，在药物实验、疾病诊疗、药物筛选等方面前景广阔。图4. 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5. 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6. 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%。胡宁研究员举了一个例子，比如一款新药的研发需要10年左右的时间，耗费超20亿美元。这期间需要不断测试药物的药效与安全性，才有可能在成千上万的化合物中挑选出几种候选药物，这些药物还要经过共三期的临床实验，才能被FDA批准。为何如此谨慎？因为一旦没有发现潜在毒性，尤其是心脏毒性，正式投入使用后出现药物使用者死亡的案例，不仅病人生命会受到威胁，已经上市的药物也将被FDA召回，这样就会导致前期付出的所有人力、物力、财力都打了水漂。现在有了他们的设备，这个药物在心脏安全性方面的测试筛选周期就可以有效缩短，研发人员在药物临床筛选初期就可以在同一时段，观测心肌细胞电信号在多种药物作用下的反应，观测药物对其影响，就可以在药物研发的早期排除可能存在心脏毒性的药物。目前，胡宁团队也在和各大高校的医学院及其附属医院进行技术推广和合作探索，希望可以用技术造福生命健康事业。国际合作 自主创新 探索产业化未来创新从来不是一座孤岛，科创中心一直在国际化合作交流的路上探索前行。本次合作成果就是其中之一，胡宁研究员介绍，以色列特拉维夫大学位于国际创新之都特拉维夫，这次主要合作的是Tal Dvir教授课题组。 Tal Dvir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，曾在实验室内完成了人类首例3D打印心脏，并可完全与患者的免疫学、细胞、生物化学和解剖学特性匹配。国内合作者中山医学院的曹楠教授，是干细胞研究专家，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，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。本次合作的Tal Dvir教授与曹楠教授既是项目需求的提出人，也是成果的体验者。胡宁研究员依托合作专家们在心脏研究方面的丰富经验，不断去验证优化自己的设计研发传感技术与仪器系统，将仪器功能与性能尽可能做到极致。他说：我们生物医学工程的学者往往不能精确地了解生物医学研究与临床实际应用上的迫切需求，而从事生物医学科学的学者虽然明确需求，但专注于基础研究，因此难以有精力开展仪器设备的研制。胡宁研究员希望可以依托科创中心打通理、工、医，聚焦共性技术问题，为机理探索、临床研究，都提供更好的支撑！“生物医学工程是一个比较典型的交叉学科专业，不仅是要做出高水平的学术研究，更重要的是利用自己在工程技术的特长，培养更多热爱科研与工程交叉学科的学生，能够打破国外产品的垄断，服务于国家经济，实现产业化目标。即使是点滴的成绩，也是对培养我们的国家和学校的最好回报！”，胡宁研究员表示，站在科创中心的创新沃土上，他期待在科创中心和各学科的学生，缔造更多有用、有前景的科研与转化成果！也期待和世界更多顶尖机构进行合作，共话科学技术未来的更多可能。如果您对胡宁研究员的相关研究感兴趣，欢迎留言联系我们，或登录胡宁研究员个人主页链接：https://person.zju.edu.cn/zjuhuning（复制链接到浏览器打开），相信会有更多创新火花碰撞！
