Nat. Nanotech. Lieber团队：对纳米电子支配组织中动作电位传导的三维测绘与调控

【引言】

进行三维（3D）组织中的电生理实时测绘和调控对基础科学与临床研究有着重大的意义。但是，由于缺乏有效的方法，这一目标很难实现。利用外源性或基因编码的压敏染料进行光学成像，可以实现对组织中动作电位传导的高空间分辨率但低时间分辨率的测绘。此外，平面微电极多路复用电子记录或场效应晶体管（FET）阵列可以在亚毫秒时间分辨率上测绘动作电位。但其仍然只能应用于二维培养的细胞或三维培养的组织样本表面。

【成果简介】

为了克服光学电压传感和平面电极装置方法中的问题，来自哈佛大学化学与化学生物学系、John A. Paulson工程与应用科学学院的Charles M. Lieber团队引入了3D纳米电子支架概念。在这种理念的指导下，即使尺寸和机械不匹配阻碍了三维组织测绘，研究者仍然可以在工程化的组织中获得细胞的应答。该研究呈现了一种全新的纳米电子学方式，以此去模仿在尺寸规格和机械性能上与传统的乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）电纺丝纤维心脏组织支架相类似的组织支架。这种全新的纳米电子学方法被应用于纯心脏组织支架或结合了PLGA辅层的心脏组织支架，以实现在亚毫秒时间分辨率上对3D样本中的动作电位进行实时测绘。此外，与刺激电极相结合使得在三维层面对心脏组织的电生理进行同时刻的主动控制和测绘变得可行。

近期，研究人员实现了一种组织支架模拟的3D纳米电子阵列。该阵列由具有亚细胞规格与亚毫秒时间分辨率的64可寻址设备组成。实时的胞外动作电位（AP）记录显示了3D心脏组织中的动作电位传导的量化地图。该方法实现了对心脏组织上不断变化的三维导电通路的拓扑结构的原位追踪，并探测了瞬时心律失常疾病模型和后续组织自适应中的动作电位动态特征。研究者们进一步进行同时刻的多点刺激，调控动作电位传导的频率与方向，并对其进行测绘。该研究建立了一套全新的在三维时空上对组织进行记录和控制的方法，并且证明这种纳米电子学的方法对再生医学、药理学以及电子疗法的潜在作用。该研究成果发表在国际期刊Nature Nanotechnology杂志上。

【图文导读】

图1  对APs的3D时空测绘

（a）  有纳米线FET阵列（红点）的无支撑大孔纳米电子支架。红色框内为一根纳米线FET。

（a-c） 以有限的68根导线数用来说明其结构。

（b）b 独立的可寻址FET传感器，由4层3D无支撑支架折叠后构成。

（c） 在3D折叠支架上培养心脏细胞形成的纳米电子支架/心脏组织。黑色框内为纳米电子传感器（蓝色圈），支配3D细胞网。

（d） 纳米电子心脏组织顶层（L1）上的16个传感器同一时刻记录到的迹线。4×4阵列中每个原件的（x，y）坐标都可显示。

（e） 放大后的每个装置记录的AP峰，来自于d中红色虚线框出的时间段。（4，1）到（1，4）的FETs明确地显示了从不同装置记录到的APs间的清晰的时间延迟。

（f） L1中时间延迟的等时线测绘，测绘区域：~25 mm2。

（g）样本中时间延迟的3D等时线测绘。四层的4×4装置阵列对心脏组织进行支配，L1-L4显示结果一致。 测绘区域：~25 nm× 25 nm × 200 μm。

图2  组织发育过程中AP的演变

（a） 在2，4，6，8天体外实验中，2层4×6纳米线FET阵列记录的自发的细胞外APs振幅。白色方块对应胞外APs缺失或低于探测最小值（1个标准差的噪音水平）的情况。

（b）  在2，4，6，8天体外实验中，3D纳米电子-心脏组织样本记录的胞外AP振幅的柱状图。

图3  局部注射去甲肾上腺素诱发心律失常

（a）  测试装置示意图，着重显示了在3D纳米电子-心脏组织的局部注射去甲肾上腺素。

（b） L1，L2，L3中的三个传感器记录的随时间变化的同步且周期的APs迹线。蓝色箭头为注射浓度为100 μM的去甲肾上腺素~25 μL。

（c） b中四个彩色盒子区域的放大，显示了再次注射去甲肾上腺素，注射前及注射5-10s后的APs间的时间延迟。

（d，e）局部注射去甲肾上腺素前（d）和注射5分钟之后（e）的 3D等时线时间延迟测绘。d中蓝色箭头表示注射位置。

图4  对APs的主动时空调控

（a）纳米电子支架中的独立可寻址刺激电极（紫点）示意图

（b） 在L4中的周期双相刺激峰列下，L1、L2、L3记录了随时间变化的迹线。刺激峰值的宽、幅、频率分别为1 ms，1 V和1.25 Hz。L1迹线中的蓝色星号标注了APs（下行峰）对电容耦合峰（红色虚线）。

（c-f）对原起搏器焦点位置（c，蓝色箭头）的3D等时线时间延迟测绘。用模拟电极（在d到f中低处的角落里）改变AP传播方向，依序90°顺时针旋转（d-f），进行3D等时线时间延迟测绘。

文献链接：Three-dimensional mapping and regulation of action potential propagation in nanoelectronics-innervated tissues（Nature Nanotechnology，2016，DOI:10.1038/nnano.2016.96）

本文由材料人生物材料小组孙苗供稿，材料牛编辑整理。

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