04.藥物對人源心肌細(xì)胞的作用檢測

我們通過向誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來源的心肌細(xì)胞（hiPSC-CMs）施用不同藥物，并使用3DFG-MEA測量對所記錄動作電位（AP）形狀的影響，來表征心臟離子電流。在其中一些實(shí)驗(yàn)中，我們使用了另一種細(xì)胞系——Pluricyte細(xì)胞，這種細(xì)胞的復(fù)極化時間更長，平臺期更明顯，因此平均動作電位50%時程（APD50）更長。對于Pluricyte hiPSC-CMs，測量是在體外培養(yǎng)8天后進(jìn)行的，因?yàn)檫@些細(xì)胞需要至少7至8天的培養(yǎng)才能表現(xiàn)出規(guī)律的自發(fā)活動。我們研究了三種化合物——E-4031、硝苯地平和多非利特的作用，它們對人類心臟動作電位的形狀產(chǎn)生三種不同的變形效應(yīng)。分子E-4031是一種III類抗心律失常藥物，通過阻斷鉀通道延長心臟動作電位。超過一定濃度時，E-4031會導(dǎo)致心肌動作電位顯著延長，并出現(xiàn)早期后除極（EAD），這是心律失常風(fēng)險增加的強(qiáng)烈指標(biāo)。

在圖4A中，我們報告了在施加2μM E-4031后，來自同一3DFG MEA兩個電極的hiPSC-CM（Pluricyte細(xì)胞系）的代表性熒光信號（頂部紅色軌跡）和動作電位（底部藍(lán)色軌跡）。動作電位在90%振幅時的動作電位時程（APD90）非常長，為2.95±0.27秒。特別是，動作電位呈現(xiàn)出典型的去極化階段，隨后是部分復(fù)極化。然而，這些階段之后是一個長的平臺期，在此期間我們可以觀察到膜電位的波動，直到最終復(fù)極化階段。因此，所記錄的信號正確地再現(xiàn)了高濃度E-4031對人源心肌細(xì)胞預(yù)期的影響。

圖4復(fù)合物對心肌細(xì)胞的影響。（A）給予2μM E-4031后代表性的心臟場電位（紅色曲線）和動作電位（藍(lán)色曲線）。動作電位曲線顯示在動作電位的主要復(fù)極化階段之后存在早期后除極（EAD）。（B）給予不同濃度硝苯地平前后代表性的心臟動作電位。（C）給予100 nM多非利特（DOF）前后代表性的心臟動作電位。REF，生理?xiàng)l件下參考信號。

硝苯地平是一種鈣通道阻滯劑，可縮短心臟動作電位的持續(xù)時間。圖4B展示了在生理?xiàng)l件下以及給予不同濃度硝苯地平后的動作電位。三條曲線顯示了由于復(fù)極化階段加快而導(dǎo)致的動作電位預(yù)期顯著縮短。具體而言，APD90減少。我們觀察到硝苯地平具有劑量依賴性效應(yīng)，濃度越高，動作電位持續(xù)時間越短，這與該藥物的預(yù)期效果相符。多非利特是一種Ⅲ類抗心律失常藥物，可阻斷心臟離子通道延遲整流電流的快速成分。因此，多非利特延長了復(fù)極化階段，從而延長了動作電位的總持續(xù)時間。在圖4C中，我們報告了給予多非利特前和后的代表性軌跡。給藥后的軌跡顯示出更長的復(fù)極化階段。最后，通過觀察圖4B中的參考軌跡，我們注意到我們的測量結(jié)果正確地反映了相關(guān)情況。藥物檢測結(jié)果證實(shí)，我們所提出的微電極陣列（MEA）平臺能夠用于檢測電生理活動的變化。

在這項(xiàng)工作中，我們展示了基于三維氟化石墨烯（3DFG）的MEA平臺，能夠從人類來源的心肌細(xì)胞中記錄細(xì)胞內(nèi)電活動。動作電位（AP）的記錄得益于3DFG獨(dú)特的特性。3DFG MEA在測量心肌細(xì)胞培養(yǎng)物中的離子電流方面表現(xiàn)出最佳性能，能夠提供高信噪比的細(xì)胞內(nèi)AP，并能準(zhǔn)確檢測藥物對心臟離子通道的影響。3DFG上的細(xì)胞穿孔過程具有極低的侵入性。利用石墨烯電極進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)AP記錄的可能性為實(shí)現(xiàn)高性能、全碳MEA生物傳感設(shè)備鋪平了道路。這些生物電子器件能夠提供一些基本特性。未來的研究方向?qū)ㄍㄟ^某些方式來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)記錄的穩(wěn)定化。