細(xì)胞組織拉伸耦合電生理及實(shí)時(shí)成像系統(tǒng) 返回列表頁

MEASSuRE 細(xì)胞組織拉伸耦合電生理及實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)
微電極陣列拉伸刺激和記錄設(shè)備

MEASSuRE 是一個(gè)完整的解決方案，供研究人員單獨(dú)或同時(shí)機(jī)械拉伸細(xì)胞/組織、對其進(jìn)行光學(xué)成像以及記錄/刺激電生理活動(dòng)。

通過電生理測量評估細(xì)胞健康和成熟度

拉伸前：電極記錄細(xì)胞拉伸前的神經(jīng)活動(dòng)。	拉伸過程中：可拉伸電極在拉伸運(yùn)動(dòng)中隨組織移動(dòng)。	拉伸后：可拉伸電極記錄與拉伸運(yùn)動(dòng)前相同位置的神經(jīng)活動(dòng)。

生理拉伸，細(xì)胞在其健康范圍內(nèi)拉伸：

干細(xì)胞向特定細(xì)胞類型的分化受微環(huán)境因素的調(diào)節(jié)，例如化學(xué)因素、機(jī)械力和電場。現(xiàn)有的指導(dǎo)干細(xì)胞分化的產(chǎn)品是單獨(dú)使用化學(xué)因子，或者結(jié)合機(jī)械力或電場。MEASSuRE 為研究人員提供了獨(dú)立操縱這三個(gè)因素的唯1一方法，這將允許生成比當(dāng)前方法更接近體內(nèi)成熟器官的器官和組織，即它們將更接近地復(fù)制人體的復(fù)雜性.  

病理性拉伸，細(xì)胞拉伸超出其健康極限，造成創(chuàng)傷：

MEASSuRE在體外受控環(huán)境中重現(xiàn)神經(jīng)外傷（創(chuàng)傷性腦損傷，TBI；脊髓損傷，SCI）或肌肉損傷的生物力學(xué)。可拉伸 MEA 中的電極隨細(xì)胞/組織一起拉伸，即，它們在拉伸之前、期間和之后保持與組織上相同位置的接觸。這種能力允許通過比較受傷后細(xì)胞的電生理學(xué)（例如，信號幅度和頻率）與受傷前的水平來直接、直接地評估受傷細(xì)胞的損傷，即，MEASSuRE 是一個(gè)篩選平臺(tái)，用于評估藥物和其他治療策略對神經(jīng)外傷的療效。篩選基于受損細(xì)胞和組織切片的電生理學(xué)。sMEA 中的電極是可彈性拉伸的，即它們還允許調(diào)查同一細(xì)胞/組織的反復(fù)損傷，例如，研究反復(fù)腦震蕩（輕度 TBI）的細(xì)胞和分子機(jī)制，這一點(diǎn)知之甚少。

MEASSuRE 將作為一個(gè)平臺(tái)，從根本上改進(jìn)方法，在受控的體外環(huán)境中研究細(xì)胞的生理拉伸和病理拉伸。此外，MEASSuRE 允許在整個(gè)拉伸過程中對細(xì)胞進(jìn)行光學(xué)成像，以驗(yàn)證組織應(yīng)變并檢測組織的形態(tài)變化。

 運(yùn)行原理

Morrison 等人，神經(jīng)科學(xué)方法雜志，150:192，2006 年。

通過在壓頭上拉動(dòng)帶有嵌入式微電極的硅膠膜來拉伸細(xì)胞。電極隨組織一起伸展，因此能夠記錄從同一位置伸展前后的神經(jīng)活動(dòng)。

優(yōu)勢特點(diǎn)：

A. 細(xì)胞培養(yǎng)的同時(shí)機(jī)械、光學(xué)和電氣接口：

MEASSuRE 的特殊之處在于它結(jié)合了三種與細(xì)胞或組織培養(yǎng)相互作用的模式：機(jī)械、光學(xué)和電學(xué)。此功能可帶來以下好處。

1. 拉伸前和拉伸后的比較： MEASSuRE 允許將細(xì)胞/組織的拉伸后電生理活動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化為拉伸前水平，因?yàn)榭衫?MEA 上的微電極會(huì)隨著細(xì)胞/組織拉伸，即它們與細(xì)胞/組織保持接觸在拉伸之前、期間和之后組織（或細(xì)胞培養(yǎng)物）上的相同位置。這是 MEASSuRE 的特殊價(jià)值主張，由我們的可拉伸微電極技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2. 重復(fù)拉伸和松弛：可拉伸 MEA 的微電極隨組織彈性拉伸，允許循環(huán)或重復(fù)拉伸。這種能力對于研究反復(fù)受傷（例如腦震蕩）的影響以及器官芯片和再生醫(yī)學(xué)應(yīng)用非常重要。

3. 組織應(yīng)變驗(yàn)證：細(xì)胞所經(jīng)歷的應(yīng)變?nèi)Q于細(xì)胞粘附在底層硅膠膜上的強(qiáng)度和均勻性，不一定與可拉伸 MEA 的 PDMS 基板上的應(yīng)變相同，這取決于位移壓頭。因此，重要的是能夠準(zhǔn)確地確定細(xì)胞被拉伸了多少。MEASSuRE 提供了這種能力。通過設(shè)計(jì)，細(xì)胞在拉伸過程中保持在鏡頭的焦平面上，即細(xì)胞可以在整個(gè)拉伸過程中使用內(nèi)置高速相機(jī)進(jìn)行成像。BMSEED 基于 MATLAB 的圖像分析軟件允許使用這些圖像計(jì)算細(xì)胞應(yīng)變。

4. 方便省時(shí)：與必須使用 2 或 3 個(gè)單獨(dú)的工具相比，能夠使用一個(gè)工具執(zhí)行三個(gè)操作非常方便，并且節(jié)省時(shí)間和空間。

B. 應(yīng)變的高再現(xiàn)性：音圈致動(dòng)器 (VCA) 通過將可拉伸 MEA 的可拉伸部分拉到圓柱形壓頭上，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)以在可拉伸 MEA 和組織上產(chǎn)生應(yīng)變。VCA 中內(nèi)置的位置傳感器和 PID 控制器可實(shí)現(xiàn)精1確的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。其他細(xì)胞拉伸器使用氣動(dòng)系統(tǒng)或電機(jī)來產(chǎn)生應(yīng)變。氣動(dòng)系統(tǒng)中的真空吸力無法精1確控制，因?yàn)樵诒焕斓哪ぶ袥]有位置傳感器反饋（無閉環(huán)），提供較少的可重復(fù)應(yīng)變，這將隨基材特性而變化。電機(jī)控制系統(tǒng)在位置（即應(yīng)變）和電機(jī)輸出之間沒有閉環(huán)反饋。

C. 通用性強(qiáng)：在 VCA 限制范圍內(nèi)的任何拉伸模式（關(guān)于加速度、速度和沖程）都可以使用宏進(jìn)行編程。樶多有 64 種預(yù)編程拉伸模式，因此與 MEASSuRE 相比，嚴(yán)重限制了用戶的選擇。

D. 高應(yīng)變： MEASSuRE 產(chǎn)生高達(dá) 50% 的應(yīng)變。其他產(chǎn)品的應(yīng)變一般為20-30%，只有MEASSuRE能產(chǎn)生的應(yīng)變高達(dá)55%。

E. 高應(yīng)變率：由于使用音圈致動(dòng)器 (VCA) 產(chǎn)生拉伸運(yùn)動(dòng)，MEASSuRE 能夠針對 >100/s 的非常高的應(yīng)變率產(chǎn)生足夠高的速度和加速度。競爭對手能夠產(chǎn)生的應(yīng)變率很低，通常 <10/s。

F. 徑向和線性應(yīng)變： MEASSuRE 能夠在同一工具中產(chǎn)生徑向和線性應(yīng)變。只需要更換可拉伸 MEA 被拉動(dòng)的壓頭類型。競爭對手也提供線性和徑向拉伸器，但不是在同一工具上，即客戶需要購買不同的細(xì)胞拉伸器。

G. 價(jià)格： MEASSuRE 系統(tǒng)整體價(jià)格小于同類功能三個(gè)分開系統(tǒng)的綜合購買價(jià)格。

應(yīng)用方向

每年有超過 170 萬美國人遭受創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 或腦震蕩，220,000 人住院，66,000 人死亡。此外，每年有 12,000-20,000 名美國人遭受脊髓損傷 (SCI)。盡管過去幾十年在研究和藥物開發(fā)上投入了數(shù)十億美元，但人們對神經(jīng)外傷的機(jī)制知之甚少，神經(jīng)保護(hù)藥物的 30 項(xiàng)臨床試驗(yàn)全部失敗。此外，流行病學(xué)數(shù)據(jù)表明，創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 病史是導(dǎo)致阿爾茨海默病 (AD)發(fā)展的重要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素。AD 和 TBI 之間存在聯(lián)系的證據(jù)是淀粉樣蛋白 (Abeta)在 TBI 后急性死亡的 30% 患者中發(fā)現(xiàn)了與 AD 早期觀察到的斑塊相似的斑塊。此外，重復(fù)性腦震蕩或輕度 TBI (mTBI) 可能導(dǎo)致永1久性退行性變化，包括 AD、慢性創(chuàng)傷性腦病和癡呆。

MEASSuRE 使功能性藥物篩選能夠直接評估候選藥物的神經(jīng)保護(hù)功效，加速臨床前藥物發(fā)現(xiàn)過程。

生理拉伸

組織工程	藥物毒性測試	生物力學(xué)應(yīng)用
當(dāng)細(xì)胞在分化過程中受到力學(xué)刺激和電刺激時(shí)，分化成特定組織的干細(xì)胞具有更接近成體組織的特性。	在力學(xué)刺激和電刺激下分化的干細(xì)胞生長的組織更能代表成年人各自的器官，從而提高了制藥公司進(jìn)行藥物毒性試驗(yàn)的有效性。	在神經(jīng)元和其他細(xì)胞類型中，有多種機(jī)制可以轉(zhuǎn)導(dǎo)和感知機(jī)械力，MEASSuRE 提供了從根本上了解生物力學(xué)影響的能力。

病理拉伸

神經(jīng)外傷	腦震蕩	肌肉損傷和疼痛	干細(xì)胞修復(fù)機(jī)制	阿爾茨海默氏病
MEASSuRE 再現(xiàn)了 TBI 和 SCI 的生物力學(xué)。通過將受傷后的電生理學(xué)與受傷前的水平進(jìn)行比較，可以很容易地評估受傷神經(jīng)元的健康和功能的變化。因此，可以很容易地評估神經(jīng)保護(hù)治療的有效性，以樶大限度地減少損傷后的損傷。	MEASSuRE 將允許研究人員和醫(yī)生開發(fā)改進(jìn)的腦震蕩協(xié)議，這些協(xié)議基于潛在損傷的電生理學(xué)而不是認(rèn)知測試。	MEASSuRE 將允許調(diào)查由過度緊張或壓縮引起的肌肉損傷的機(jī)制，并評估藥物以加速恢復(fù)。	干細(xì)胞參與身體不同部位受傷后的修復(fù)過程，例如創(chuàng)傷性腦損傷后的大腦。機(jī)械感受器激活的機(jī)制尚不清楚。MEASSuRE 將是闡明和研究這種機(jī)制的有用工具。	阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病與 TBI 有共同的病理學(xué)途徑，例如淀粉樣斑塊的形成。因此，MEASSuRE 可能是早期評估候選藥物抗阿爾茨海默病療效的寶貴工具。

臨床前藥物篩選
失敗的方法：基于目標(biāo)的高通量篩選 (HTS) 先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)基于針對分子靶標(biāo)的活性 必須知道目標(biāo) 理論往往是錯(cuò)誤的 不太可能發(fā)現(xiàn)通過新的生物學(xué)機(jī)制起作用的化合物
更好的方法：使用器官切片或分離的細(xì)胞培養(yǎng)物進(jìn)行功能篩選 直接評估目標(biāo)組織的神經(jīng)保護(hù)特性 目標(biāo)不需要知道 通過電生理測量直接評估細(xì)微細(xì)胞功能 傷后正常化至傷前水平 內(nèi)置內(nèi)部控制
MEASSuRE 在神經(jīng)保護(hù)化合物的功能性藥物篩選上的優(yōu)勢
MEASSuRE 在創(chuàng)傷性腦損傷 (TBI) 藥物發(fā)現(xiàn)方面的優(yōu)勢 根據(jù)電生理組織對拉伸（損傷）的反應(yīng)篩選導(dǎo)聯(lián) 無需知道目標(biāo) 發(fā)現(xiàn)新的生物學(xué)機(jī)制 在臨床前開發(fā)的早期淘汰候選藥物 避免拒絕潛在的候選藥物 通過減少體內(nèi)測試的數(shù)量來節(jié)省時(shí)間、資金和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)量

案例分享

評估 TBI 后器官型海馬切片培養(yǎng)物 (OHSCs) 的長期增強(qiáng)作用

基于 OHSC 的體外模型維持海馬體的結(jié)構(gòu)，并提供一個(gè)平臺(tái)來研究多種細(xì)胞類型的相互作用。長時(shí)程增強(qiáng) (LTP) 是基于突觸可塑性的學(xué)習(xí)和記憶的體外細(xì)胞關(guān)聯(lián)。反復(fù)輕度損傷后長期增強(qiáng)作用降低。本研究展示了在 MEASSuRE 平臺(tái)中使用可拉伸微電極陣列 (sMEA) 如何在檢測 TBI 后 LTP 損傷（即突觸可塑性降低）中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

方法

將源自 P8-10 Sprague-Dawley 大鼠海馬的 OHSC 置于 sMEA 上，并在培養(yǎng)箱中保存至少 10 天。用MEASSuRE的電生理學(xué)模塊記錄自發(fā)活動(dòng)和刺激反應(yīng) (SR) 曲線。然后使用 MEASSuRE 的力學(xué)模塊對切片（每個(gè) sMEA 一個(gè)）進(jìn)行中度雙軸拉伸損傷（平均應(yīng)變：16.2%，應(yīng)變率：16.8 s-1），或假損傷作為對照。實(shí)際組織應(yīng)變通過 MEASSuRE成像模塊記錄的高速視頻進(jìn)行確認(rèn)。  受傷后 24 小時(shí)，第二次記錄自發(fā)活動(dòng)和 SR 曲線。為了測量可塑性，用 100Hz 的 3 輪 100 個(gè)脈沖誘導(dǎo)長期增強(qiáng)，間隔 10 秒，在 i50 下施加一次。LTP 百分比值計(jì)算為可塑性誘導(dǎo)后 50-60 分鐘測量的響應(yīng)大小，歸一化為基線的樶后 10 分鐘。

結(jié)果

總體放電率、自發(fā)活動(dòng)的幅度、SR 參數(shù)或受傷前后的平均爆發(fā)次數(shù)沒有變化。然而，受傷后平均爆發(fā)的尖峰長度有所減少（7.78 ± 0.71 對 5.94 ± 0.16，N = 10-12 片，*p<0.05）。  與基線相比，受傷后 24 小時(shí)的 LTP 缺陷是穩(wěn)健的（48.06 ± 13.50 對 -3.62 ± 2.79%，N=4 切片 **p<0.01，見圖）。

受傷后，通過高頻刺激誘導(dǎo) LTP 不會(huì)增加在假損傷 OHSC 中看到的反應(yīng)幅度

結(jié)論

可伸縮微電極陣列 (sMEA) 提供了一種特殊的方法來研究受傷前后同一 OHSC 的電活動(dòng)。在此示例中，檢測到損傷后存在較大的 LTP 缺陷，可用作評估 TBI體外治療的模型。