研究人员推进器官芯片技术以推动药物开发

卡内基梅隆大学(CMU)和新加坡南洋理工大学的研究人员开发了一种电子元器件平台，该平台使用生物电传感器测量电生理学。心脏细胞三维。这些3D自动滚动生物传感器阵列在心脏细胞球状组织上形成一个“器官在线片上”，从而使研究人员能够研究细胞如何在心脏等多细胞系统中相互通信。

有机电子芯片方法将有助于开发和评估用于疾病治疗的药物的功效 - 甚至可以使研究人员直接在人类组织上筛选药物和毒素，而不是在动物组织上进行测试。该平台还将用于揭示心脏电信号与疾病(如心律失常)之间的联系。该研究发表在Science Advances上，研究人员可以研究目前无法获取的培养细胞过程，如组织发育和细胞成熟。

“数十年来，电生理学是利用细胞和培养物在二维表面上进行的，例如培养皿，”生物医学工程副教授(BME)和材料科学与工程(MSE)Tzahi Cohen-Karni说。“我们试图通过开发一种收缩包裹心脏细胞周围传感器的方法并从这种组织中提取电生理信息，来规避读取心脏3D电子模式的挑战。”

“器上电子芯片”平台最初是一个小而扁平的矩形，与微型手掌不同。一个手掌开始是一个僵硬的，像标尺的结构，但当你释放张力时，它很快会卷绕到手腕周围。

器官在电子芯片上也是类似的。研究人员然后将由金属电极或石墨烯传感器制成的传感器阵列固定到芯片表面，然后蚀刻掉锗层，这被称为“牺牲层”。一旦移除该牺牲层，生物传感器阵列就从其保持器中释放并以桶形结构从表面弹出。

研究人员测试了平台上的心脏球体，或由心脏细胞制成的细长器官。这些3D心脏球体大约是2-3个人类头发的宽度。通过球体盘绕平台，研究人员可以高精度地收集电信号读数，并实现细胞在3D中相互“交谈”的方式。

“基本上，我们已经创建了3D自动滚动生物传感器阵列，用于探索诱导多能干细胞来源的心肌细胞的电生理学，”该研究的主要作者和BME博士说。学生Anna Kalmykov。“这个平台可用于研究心脏组织再生和成熟，例如，可能用于治疗心脏病发作后的受损组织，或开发治疗疾病的新药。”

通过与BME / MSE教授Adam Feinberg教授和前CMU教师Jimmy Hsia(现为新加坡南洋理工大学研究生院院长)的实验室合作，研究人员能够设计概念验证并在3D微模具上进行测试形成心肌细胞球体。

“整个想法是采用传统上在平面几何中完成的方法，并在三维中进行，”Cohen-Karni说。“我们的器官本质上是3D的。多年来，电生理学只使用在2D组织培养皿上培养的细胞完成。但现在，这些惊人的电生理学技术可以应用于3D结构。”