在心血管疾病研究中，心臟類器官作為模擬心臟發(fā)育與病理的前沿模型，其電生理特性記錄始終面臨重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)二維微電極陣列（MEA）僅能捕獲類器官基底平面的信號(hào)，無法解析電信號(hào)在三維結(jié)構(gòu)中的傳播動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致心律失常等復(fù)雜疾病的建模嚴(yán)重受限。這一瓶頸阻礙了類器官技術(shù)在藥物篩選和機(jī)制研究中的深度應(yīng)用，亟需突破性解決方案。

約翰斯·霍普金斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的形狀自適應(yīng)殼裝微電極陣列（shell MEA）實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵突破。其核心創(chuàng)新在于基于自折疊雙分子層原理：陣列由四個(gè)十字形片段構(gòu)成，在水溶液中自主折疊成籠狀結(jié)構(gòu)，無縫包裹整個(gè)類器官表面。這種設(shè)計(jì)無需外部干預(yù)，避免了手動(dòng)操作的誤差，同時(shí)保持光學(xué)透明性，允許同步進(jìn)行鈣離子成像驗(yàn)證電生理傳播模式。

圖1. shell MEA與3D打印微孔集成用于心臟類器官封裝

shell MEA的幾何結(jié)構(gòu)高度定制化，可適配0.5–1.5 mm直徑的類器官。16個(gè)高密度電極均勻分布于類器官上、中、下區(qū)域，確保全表面信號(hào)采集。相比傳統(tǒng)二維陣列僅覆蓋基底的局限，這種全覆蓋設(shè)計(jì)首次實(shí)現(xiàn)了類器官三維電活動(dòng)的完整捕獲，為解析心律失常的傳導(dǎo)路徑奠定基礎(chǔ)。

制造工藝采用五層光刻掩模技術(shù)：在石英晶圓上逐層沉積鍺犧牲層、SU-8絕緣層、金電極及PEDOT:PSS導(dǎo)電聚合物涂層。關(guān)鍵突破在于通過調(diào)控SU-8雙分子層的交聯(lián)度與厚度，精確控制折疊角度和時(shí)間。這種精密工藝使陣列在水溶液中可靠自組裝，避免了傳統(tǒng)方法中復(fù)雜的機(jī)械封裝步驟。

為確保類器官精準(zhǔn)定位，團(tuán)隊(duì)結(jié)合摩方精密microArch®S240 3D打印機(jī)（精度10μm）與生物相容性樹脂（BIO）制造定制微孔板。微孔板經(jīng)UV固化后與shell MEA基底牢固粘合，形成完整檢測系統(tǒng)。這一集成方案消除了手動(dòng)定位誤差，為高通量藥物篩選提供了可重復(fù)的制造平臺(tái)，顯著提升實(shí)驗(yàn)效率。

在9天長期監(jiān)測中，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了shell MEA在藥物毒性評(píng)估中的可靠性。異丙腎上腺素（10μM）處理使場電位振幅增加81%、跳動(dòng)頻率上升84%、持續(xù)時(shí)間延長12%，完全符合其正性變時(shí)變力作用的藥理特性。E-4031（1μM）則導(dǎo)致頻率下降34%、持續(xù)時(shí)間延長64%，精準(zhǔn)模擬了hERG通道阻滯引發(fā)的心律失常風(fēng)險(xiǎn)，與臨床前數(shù)據(jù)高度一致。

局部激活時(shí)間（LAT）檢測是三維映射的核心。團(tuán)隊(duì)采用最大斜率法（非振幅法），將LAT檢測準(zhǔn)確率提升至87.5%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法的69.6%。這種改進(jìn)源于算法對(duì)噪聲的抑制能力，使激活時(shí)間分析更可靠，避免了因振幅波動(dòng)導(dǎo)致的誤判。

圖3D傳導(dǎo)速度映射及與鈣成像的一致性驗(yàn)證。

通過徑向基函數(shù)插值算法，16個(gè)電極數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為全表面激活序列。例如，自發(fā)跳動(dòng)類器官的電信號(hào)呈現(xiàn)從左至右的傳播路徑，延遲約15 ms。這種三維等時(shí)線圖首次直觀展示了類器官內(nèi)電活動(dòng)的空間異質(zhì)性，為心律失常機(jī)制研究提供了新視角。

傳導(dǎo)速度（CV）分析進(jìn)一步凸顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。三維電生理映射測得CV為5.12 cm/s，而鈣成像因時(shí)空分辨率限制顯示較低值。異丙腎上腺素處理后，CV升至6.28 cm/s，且傳播模式呈現(xiàn)區(qū)域異質(zhì)性——提示類器官內(nèi)細(xì)胞類型分布不均。這種空間分辨能力是傳統(tǒng)二維技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

殼層MEA的透明性優(yōu)勢(shì)在于同步鈣成像驗(yàn)證。電生理映射與鈣成像激活圖高度相關(guān)，但CV值更高，揭示了鈣成像的二維投影局限性。例如，鈣成像因光毒性與穿透深度限制，無法捕捉深層信號(hào)傳播，而shell MEA的全表面記錄則解決了這一根本缺陷。

作為實(shí)驗(yàn)人員，我特別關(guān)注其操作簡化性。自折疊設(shè)計(jì)使陣列在水溶液中自動(dòng)包裹類器官，無需專業(yè)人員干預(yù)，顯著降低實(shí)驗(yàn)門檻。對(duì)比膜片鉗技術(shù)需解離類器官的破壞性操作，shell MEA實(shí)現(xiàn)了真正無創(chuàng)、長期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，這對(duì)心律失常的慢性機(jī)制研究至關(guān)重要。

在藥物響應(yīng)分析中，E-4031的測試數(shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。頻率下降34%與持續(xù)時(shí)間延長64%的量化結(jié)果，直接關(guān)聯(lián)到QT間期延長的心臟毒性風(fēng)險(xiǎn)。這種精準(zhǔn)量化能力，使shell MEA成為藥物心臟安全性評(píng)估的可靠工具，避免了傳統(tǒng)光學(xué)成像的光漂白干擾。

技術(shù)擴(kuò)展?jié)摿薮蟆Ｆ渚A級(jí)制造兼容性（基于MEMS工藝）支持大規(guī)模生產(chǎn)，為高通量藥物篩選提供硬件基礎(chǔ)。未來可快速遷移至腦類器官或骨骼肌類器官模型，例如腦類器官的神經(jīng)電活動(dòng)三維映射將受益于相同的技術(shù)邏輯。

總結(jié)而言，shell MEA不僅解決了心臟類器官電生理記錄的三維瓶頸，更通過高精度、高通量設(shè)計(jì)重構(gòu)了類器官研究范式。它將電生理數(shù)據(jù)從“點(diǎn)-面”提升至“體-場”，使心律失常機(jī)制的解析從宏觀描述深入到空間異質(zhì)性層面。這種技術(shù)突破為個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)藥物開發(fā)提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其價(jià)值遠(yuǎn)超當(dāng)前心血管領(lǐng)域，將推動(dòng)整個(gè)類器官技術(shù)向功能化、應(yīng)用化邁進(jìn)。