微电极阵列（Microelectrode arrays，MEA）是一种广泛应用于体外评价心脏和神经元等细胞功能的平台，因为MEA提供了与细胞的非侵入性接触，并能够实现对细胞结构的电生理活动的高时空跟踪。然而，传统的平面二维（2D）MEA通常构造在刚性基底上，并且由于2D表面和3D球形类器官之间的小接触面积，因此不能全面地捕获跨类器官的球形表面的电生理活动。为了解决这些问题，已经引入了由诸如聚酰亚胺（PI）、SU-8和聚对二甲苯C等材料组成的柔性MEA作为2D MEA的有前景的替代品。这些柔性MEA是为特定尺寸的类器官设计的，旨在实现共形接触和连续监测。然而，针对特定类有机体的定制设计不能扩展到不同大小的类有机体。此外，由于类器官和微电极之间的弱接触，为非侵入性电生理测量开发的柔性MEA遭受低信噪比（SNR）。这种不充分的接触在类有机体中的产电细胞和微电极之间形成了相对宽的间隙和微弱的连接，导致波形失真和所测动作电位信号的幅度显著降低。


类器官是能够再现人体器官复杂结构和功能的三维生物模型。尽管类器官的生成速度很快，但在体外评估工具仍然局限于二维形式。因此，对电活性类器官的全面、连续功能评估仍然是一个挑战。


为了解决这一问题，近日，韩国先进科学技术院（KAIST）Hyunjoo J.Lee团队联合韩国生命科学技术研究院Mi-Young Son/Mi-Ok Lee团队提出了一种高度可伸缩的三维多电极阵列（sMEA），其微电极突出，用于电活性类器官的功能评估。经过优化的螺旋结构和桥接结构覆盖类器官表面，即使在浸润状态下也能实现均匀覆盖。突出的微电极与类器官形成稳定的接触，允许进行高信噪比（SNR）的电生理记录。


sMEAs能在晶圆级上制造，以实现可重复、可扩展和大规模生产，并包装在易于使用、用户友好且坚固的微孔板中，以便快速推广技术。作者通过测量心脏球形体和中脑类器官在500至1500微米范围内的不同大小的电生理信号，验证了sMEA的通用性。此外，高信噪比的电生理信号记录能够实现药物作用的功能评估。该高信噪比且用户友好界面的sMEA有望成为高通量药物筛选、3D时空电生理器官组织的绘制以及质量评估协议的标准化方面的关键工具。

用于3D产电球体和类器官的可拉伸微电极阵列（sMEA）。


a）由具有突出微电极的sMEA捕获的类器官的概念图。B）sMEA的分解图。c）所制造的sMEA的光学图像。刻度尺，5 mm。d）包装的sMEA的光学图像。刻度尺，1cm。e）支持具有高位移的类器官的sMEA的光学图像。比例尺，分别为1 cm和1 mm。f）sMEA底视光学显微镜图像，其中类器官在顶部。比例尺，1mm.g）具有中脑类器官的sMEA的3D重建荧光图像。红色和蓝色分别对应于sMEA（R6G）和细胞核（Hoechst）。刻度尺，1 mm。

使用FEM模拟优化sMEA设计。


a）具有最终优化值的sMEA的结构和设计参数。sMEA的最大位移与B）不同数量的蛇纹（n=2，3，和4），c）宽度的杠杆（W=50，300，和500μm），和d）长度的杠杆（L=500，1000，和1500μm）为不同大小的forganoids。FEM模拟结果的侧视图描绘了当将半径为e）500μm、f）1000μm和g）1500μm的类器官放置在顶部时sMEA上的位移。

PEDOT：PSS微电极的突起特性


a）在PEDOT：PSS电沉积之前（i）和在PEDOT：PSS电沉积之后（ii）的微电极的光学显微镜图像（上）和SEM图像（下）。比例尺，50μm。b）在不同的PEDOT：PSS电沉积时间下的电化学阻抗谱。c）在不同的PEDOT：PSS电沉积时间下，在1kHz下的电化学阻抗的比较。（n=13）（平均值±标准差。）d）相对于PEDOT：PSS电沉积时间的电荷存储容量。（n=13）（平均值±标准差。）e）在不同的PEDOT：PSS电沉积时间之后的厚度变化。（n=7）（平均值±标准差）f）中脑类器官的相对活力。（n=3）（平均值±S.D.，非配对t检验）g）对照组和sMEA组中SOX2阳性细胞的定量。使用Hoechst进行细胞核染色，并在每个类器官中定量至少3个图像。（n=6）（平均值±S.D.，非配对t检验）h）与标准MEA相比，相对于突出电极的厚度的相对接触压力变化。i）分别在100 s（i）、300 s（ii）和500 s（iii）时，从涂覆有PEDOT：PSS的sMEA上的心脏球体测量的动作电位信号。j）i）中测量的信号的信噪比。

不同大小心脏球形体电生理信号的测量与分析


。a）从直径为1500μm的心脏球体测量的电生理信号的原始电压迹线（左），图中红色虚线框的放大视图（左）（中），以及从每个微电极测量的分类动作电位的表示（右）。B）从在a）中心示出的信号重构的3D时空色彩映射图像。使用邻近测量的信号对每个微电极之间的未测量信号进行线性内插。c）在直径为1500μm的心脏类球体中测量的平均动作电位的代表性原始迹线及关键参数。d）搏动频率，e）场电位持续时间，f）持续时间，g）从直径为500μm、1000μm和1500μm的心脏球形体中测量的电生理信号中提取的峰-峰振幅。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.05，**p<0.01，单因素方差分析）h）心脏类球体大小的代表性相差图像（比例尺，500μm）和相应的免疫荧光图像，显示分化的心脏类球体中的β-肌动蛋白和TNNT的表达。比例尺，10μm。

药物治疗过程中心脏类球体电生理信号变化的分析。


a）用心脏球体进行的药物治疗实验的示意图和时间轴。B）ISO处理后，随时间推移的电生理信号的原始电压迹线。c）ISO处理后，搏动率、场电位持续时间、持续时间和峰-峰振幅随时间的变化。灰色、红色和蓝色框分别表示ISO处理前、ISO处理后和冲洗后。ISO处理前、ISO处理后1小时和冲洗后1小时的d）搏动率、e）场电位持续时间、f）持续时间和g）峰-峰振幅的变化。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.001，单因素方差分析）。

中脑类器官电生理信号的测量与分析。


a）在成熟50天后，从中脑类器官测量的电生理信号的原始电压迹线。B）分类的神经棘波波形和c）从通道4、10和11记录的原始电压迹线提取的棘波率。d）从a）中的红色虚线框中所示的信号重建的3D时空彩色图图像。e）在药物治疗前（i）、用加巴嗪（50μm）治疗后（ii）和在加巴嗪治疗后（iii）进行MPTP（100μm）治疗后，从通道4、9、10和12测量的电生理信号的原始电压迹线（上）和光栅图（下）。f）比较药物治疗前、加巴嗪（50μm）治疗后和后续MPTP（100μm）治疗后的峰率。（n=3）（平均值±S.D.，*p<0.05，和**p<0.01，单因素方差分析）。g）显示神经标记物（MAP2）和多巴胺能神经元标记物（TH）在对照和MPTP（100μm）处理的mBO中的表达的代表性免疫荧光图像。比例尺，50μm。h）两组中TH阳性细胞的定量。对于荧光计数器，使用Hoechst。（n=6）（平均值±S.D.，*p<0.05，非配对t检验）。