在心血管疾病研究领域，人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的心脏类器官因其能模拟心脏早期发育和疾病特征而备受关注。然而，传统二维微电极阵列仅能记录平面信号，无法捕捉心脏类器官中电信号的三维传播动态，限制了其在心律失常等复杂疾病建模中的应用。近日，约翰斯·霍普金斯大学科研团队成功开发出具有可编程特性的形状自适应壳装微电极阵列（shell MEA），实现了对三维心脏类器官（Cardiac Organoids）的高时空分辨率电生理信号采集与分析。该成果以"3D Spatiotemporal Electrophysiology of Cardiac Organoids Using Shell Microelectrode Arrays"为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。心脏类器官通过自组装形成具有腔室样结构的微组织，能够自发跳动并模拟心脏的电生理特性。然而，传统电生理记录技术如二维微电极阵列或膜片钳存在明显不足：二维阵列仅能捕获类器官基底表面的信号，而膜片钳需要解离类器官，破坏其三维结构且无法进行长期观测。光学成像技术虽能提供部分时空信息，但易受光漂白和光毒性影响，且穿透深度有限。研究团队基于自折叠双分子层原理，设计了一种shell MEA。该阵列由四个十字形片段组成，可在水溶液中自主折叠成笼状结构，包裹整个类器官表面，其光学透明性允许同时进行钙离子成像，验证电生理传播模式。其核心创新包括：- 定制化几何结构：可调整电极布局，适应不同尺寸（0.5–1.5 mm直径）的类器官；
- 高密度电极分布：16个电极均匀覆盖类器官上、中、下区域，确保全表面信号采集。
图1. shell MEA与3D打印微孔集成用于心脏类器官封装。shell MEA的制造采用五层光刻掩模工艺，在石英晶圆上逐层沉积锗牺牲层、SU-8绝缘层、金电极和导电聚合物PEDOT:PSS涂层。通过调控SU-8双分子层的交联度和厚度，可实现可控的折叠角度和时间。团队采用摩方精密microArch® S240 （精度：10μm）高精度3D打印机和生物相容性树脂（BIO）材料制造定制化微孔板，确保类器官精准定位到 shell MEA中心。微孔板通过UV固化后，与shell MEA基底牢固粘合，形成完整的检测系统。这一技术突破避免了传统手动操作的误差，为高通量应用奠定了基础。为验证壳层MEA在心脏毒性筛选中的应用潜力，团队测试了9天内异丙肾上腺素（正性肌力药物）、E-4031（hERG通道阻滞剂）和血清素对心肌类器官电生理参数的影响：- 异丙肾上腺素（10 μM）导致场电位振幅增加81%、跳动频率上升84%、场电位持续时间延长12%，符合其正性变时和变力作用；
- E-4031（1 μM）引起频率下降34%、持续时间延长64%，模拟了心律失常风险；这些结果与临床前数据一致，验证了 shell MEA在药物心脏毒性评估中的可靠性。
图3. shell MEA的特性分析，用于优化心脏类器官的电生理记录。通过检测局部激活时间（LAT），团队生成了高分辨率三维等时线图。基于最大斜率法（非振幅法）的LAT检测准确率达87.5%，显著优于传统方法（69.6%）。插值算法（径向基函数）将16个电极数据转化为全表面激活序列，揭示类器官内电信号传播路径（如从左至右，延迟约15 ms）。更重要的是，壳层MEA的透明性允许同步钙成像验证。对比显示，三维电生理映射与钙成像激活图高度相关，但三维映射测得的传导速度（CV）更高。这种差异源于钙成像的时空分辨率限制及二维投影的片面性，突显了三维全表面记录的优势。图5. 自发性跳动的心脏类器官的三维活化映射。
在异丙肾上腺素处理后，三维CV映射进一步显示传导加速（均值从5.12升至6.28 cm/s），且传播模式呈现区域异质性，提示类器官内细胞类型分布不均。这种空间分辨能力为研究心律失常机制（如传导阻滞或折返）提供了新工具。
图6. 3D传导速度映射及与钙成像的一致性验证。
总结：研究团队开发的壳层微电极阵列技术，通过全表面三维电生理映射，解决了心脏类器官研究中的关键瓶颈。其创新设计、长期监测能力及多模态集成优势，为心脏疾病建模和药物测试提供了更精准、高效的平台。这一突破不仅推动了类器官技术的功能化进展，还可扩展至脑类器官、骨骼肌类器官等电活性组织模型。其高通量制造潜力（晶圆级加工）与微机电系统（MEMS）兼容性，为大规模药物筛选和个性化医疗奠定基础。
更新时间：2025-10-20
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