記錄具有電生理學特性的細胞動作電位（AP）對于理解亞細胞功能原理以及推進藥物開發具有重要意義。對于心肌細胞尤其如此，因為與細胞外場電位（FP）相比，AP信號能提供更豐富的細胞功能信息。AP持續時間、去極化率和復極化時間等關鍵參數，是預測心肌細胞心律失常的重要指標。細胞內AP可捕捉心肌細胞收縮過程中與時間相關的膜電位變化，從而量化快速去極化和復極化率。此外，細胞內AP的變化與心臟的興奮傳導和收縮功能直接相關。因此，可靠、高通量的細胞內AP檢測方法，對于全面了解心臟發病機制及有效篩選藥物至關重要。
膜片鉗技術被認為是檢測細胞電信號的金標準，全細胞膜片鉗能夠測量細胞內AP。此外，電壓敏感染料有助于觀察單個和多個心肌細胞中的細胞AP。然而，膜片鉗方法通量低，可能對細胞造成不可逆損傷，而電壓敏感染料通常具有細胞毒性，需要復雜的實驗裝置和顯微鏡操作系統。
利用微加工技術制造的微電極陣列（MEA）可以同時對多個細胞進行長期記錄，而且可以在微電極陣列上直接進行細胞培養，提高了用戶友好性。為了提高細胞-微電極耦合和電生理信號測量的質量，業界已經開發了具有納米結構的被動和主動納米級電極陣列。生物電子平臺已經證明，施加脈沖電壓有可能使細胞產生可逆的納米孔，從而實現額外的功能，如細胞轉染或細胞電位檢測。微電極不僅可以作為電信號檢測的媒介，還可以發出電脈沖進行細胞膜電穿孔。
為了探測單細胞內的AP，通常需要使用微納米加工技術對電極進行絕緣處理，獲得直徑小于10 μm的微電極。尺寸更小的電極需要更高的加工精度，這使得微納米加工過程更加復雜。而較小的電極與心肌細胞的密封電阻較高，可最大限度地減少電流泄漏，并通過降低背景噪聲提高信號質量。較大的電極往往阻抗較低，可減少熱噪聲，提高信噪比（SNR）。對于心肌細胞細胞內AP檢測，目前還缺乏針對微米級電極暴露區域差異的研究。因此，系統地研究電極尺寸如何影響信噪比、穿孔效率和心肌細胞AP持續時間等參數至關重要。
據麥姆斯咨詢介紹，中山大學等機構的研究人員近期在Microsystems & Nanoengineering上發表了一篇題為“Multi-sized microelectrode array coupled with micro-electroporation for effective recording of intracellular action potential”的論文。在這項工作中，研究人員介紹了不同微米尺寸的微電極對細胞內AP信號質量和細胞內記錄指標參數的影響。首先，研究人員通過無源電路仿真建模確定，在降低細胞膜阻抗的情況下，電穿孔后使用平面電極記錄的心肌細胞電生理信號波形與細胞內AP波形一致。接下來，研究人員通過三維仿真模型優化了電穿孔電壓，并探討了電極尺寸對跨膜電壓、電流密度和電場強度的影響。
用于心肌細胞胞內AP記錄的微電極陣列平臺的制造和表征
在實驗中，研究人員使用標準光刻工藝制造了不同尺寸的微電極陣列，包括混合尺寸微電極陣列（Mix-MEA）和多尺寸微電極陣列（MSMEA）。通過將這兩種類型的微電極陣列結合微米電穿孔，記錄了不同培養環境下心肌細胞的細胞內AP。
模擬微電穿孔的細胞內AP記錄和細胞-電極界面的仿真模型
對電生理信號的分析表明，電極阻抗對細胞內AP的振幅和信噪比影響較大。隨著微電極尺寸的增加，細胞內AP的振幅和信噪比分別增加了220%和70%。跨膜電壓和電場強度對穿孔效率、AP持續時間和記錄到的單細胞信號比例的影響更大。隨著微電極尺寸的增大，穿孔效率、AP持續時間和記錄到的單細胞信號比例分別下降了18.8%、17.5%和19.5%。在3 V電穿孔電壓下，不同尺寸的微電極對心肌細胞的自動調節沒有顯著影響。
這項研究表明，微電穿孔技術可應用于各種尺寸的微電極，使細胞內記錄超越了高分辨率微電極的限制。通過將該技術應用于更大的微電極，為使用更具成本效益的制造方法制造能夠進行高質量細胞內AP記錄的微電極帶來了新機遇。這種方法有可能提高基于微電極陣列的細胞內記錄設備和實驗設置的靈活性。
混合尺寸微電極陣列（Mix-MEA）用于心肌細胞胞外FP和細胞內AP記錄以及參數分析
這項研究的創新之處在于發現直徑為100 μm或更大的微電極仍能實現高效、安全的細胞電穿孔。傳統上，增大電極尺寸會影響電場定位能力，對細胞穿孔效率產生負面影響，并可能因影響較大面積的膜而損害細胞健康。因此，以往的研究側重于開發直徑在100 nm到10 μm之間的微納米電極，用于細胞穿孔和信號記錄。然而，這些電極需要復雜的微納制造技術，限制了某些材料的生產，或必須在聚合物基底上進行加工。研究人員首次證明，直徑超過100 μm的微電極不僅能保持較高的穿孔效率和安全性，而且在記錄細胞內信號方面表現出很強的性能。
這一發現大大提高了微電極制造的靈活性，較大的電極（例如超過100 μm的電極），無需依賴復雜的光刻微加工技術即可制造。激光加工、絲網印刷或掩膜磁控濺射等其他制造方法，可以快速制造此類電極。例如，使用這些技術可以高效地制備出直徑為100 μm的石墨烯基微電極陣列。這些較大電極具有出色的細胞穿孔效率和細胞內信號記錄能力，這一發現為推進微電極陣列的開發提供了寶貴的啟示，有望使其成為細胞內信號記錄應用的理想工具。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00887-6
