3D HD-MEA 增强急性脑片、球体和类器官的电生理记录
📋 基本信息
- 英文标题: Enhanced electrophysiological recordings in acute brain slices, spheroids, and organoids using 3D high-density multielectrode arrays
- 作者: Elisa Mure, Elisa Magistri, Michele Di Paolo, Francesca Locatelli, Gherardo Varani, Yuta Takagi, Yuki Sato, Gennaro Liberto, Martina Garbelli, Michele Fiscella, Marco Grillo, Andrea Vato, Luca Berdondini, Alessandro Mastrogiacomo, Egidio D'Angelo
- 机构: 意大利帕维亚大学、热那亚大学、意大利理工学院 (IIT)、瑞士 3Brain AG
- 期刊: PLOS One
- 发表日期: 2025
- DOI: 10.1371/journal.pone.0328903
- PMCID: PMC12410755
🔗 原文链接
📖 摘要
3D HD-MEA 通过数千个微米针电极（µneedles）穿透组织，解决了平面 MEA 仅能记录最外层的限制。µneedle 底部的微通道（microchannels）改善组织存活率和药物扩散速度。在小脑片、皮层-海马片、脑球体、皮层和脊髓类器官上均验证了显著增强的记录效率和刺激能力。
🧪 研究设计
| 项目 | 详情 |
|---|---|
| 设备 | 3Brain CorePlate 1W-3D (38/60/90) |
| 电极数量 | 4096 (64×64 网格) |
| 电极间距 | 60 μm |
| µneedle 尺寸 | 片/球体：高 90 μm，宽 26 μm；类器官：高 65 μm，宽 14 μm |
| 微通道 | µneedle 底座形成网格微通道 |
| 样本 | 小鼠小脑片、皮层-海马片、大鼠脑球体、人皮层/脊髓类器官 |
| 分析方法 | 活性图、相关性分析、VSDi、钙成像、SEM |
📊 核心发现
1. µneedle 穿透组织
- SEM 和 FIB 切割证实 µneedle 穿透小脑片而不弯曲或变形
- µneedle 尖端到达内部神经结构，超越外部死细胞层
2. 组织存活率显著提升
| 微通道配置 | 存活率（下层表面） |
|---|---|
| 平面 (2D) | 最低 |
| LMC (大微通道) | 中等 |
| IMC (中等微通道) | 高 |
| SMC (小微通道) | 最高 |
3. 记录效率增强
| 样本 | 平面 HD-MEA | 3D HD-MEA | 提升 |
|---|---|---|---|
| 小脑片 (活跃电极) | 较少 | 显著增加 | 检测更多 Purkinje 细胞 |
| 皮层-海马片 (活跃电极) | 56±17 | 154±25 | p=0.0384 |
| 脑球体 (多单位检测) | 有限 | 多个单位 | spike sorting 成功 |
| 类器官 (网络相关性) | 弱 | 强相关网络 | 突触连接可视化 |
4. 药物扩散加速
- TTX 作用时间：3D HD-MEA 比平面快 2-3 倍
- 微通道允许溶液在组织下方流动，加速化合物扩散
5. 双向刺激有效
- µneedle 穿透组织，有效刺激苔藓纤维
- 诱发的颗粒层 LFP 可被 NBQX 和 TTX 阻断
- 刺激可在不同脑叶重复记录
6. 前额叶皮层 (PFC) 记录
- 首次在生理条件下检测 PFC 自发网络活动
- 无需 0 mM Mg²⁺ 等非生理条件
- 量化多单元相关活动，提供功能连接网络
7. 脑球体和类器官
- 球体 (DIV 19-20): 多个单位 spike sorting 成功
- 皮层类器官 (DIV 219): KCl 调制增加爆发频率
- 脊髓类器官 (DIV 131): 检测到爆发活动和网络相关性
💡 技术创新
3D HD-MEA 优势
- µneedle 穿透: 访问内部神经结构
- 微通道网格: 改善组织存活率和药物扩散
- 4096 电极: 前所未有的空间分辨率
- 双向功能: 同时记录和刺激
- 两种 µneedle 尺寸: 片/球体 (90 μm) 和类器官 (65 μm)
🎯 学术启示
对 3Brain 产品的相关性
- CorePlate 1W-3D 验证: 成功用于多种 3D 模型（片、球体、类器官）
- 组织存活率提升: 微通道设计解决 3D 模型核心坏死问题
- PFC 记录突破: 首次在生理条件下记录前额叶皮层网络
- 药物筛选加速: TTX 作用时间快 2-3 倍，适合高通量药筛
📚 关键词
3D HD-MEA · 微针电极 · 脑片 · 球体 · 类器官 · 组织存活率 · 药物扩散 · 3Brain · 前额叶皮层
联系人｜李东伟
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