高通量24孔高密度微电极阵列平台：同步记录与单细胞分辨率电生理分析
3Brain AG 技术团队 | 3Brain 技术白皮书 2025 | DOI: 产品技术文档
标签: #高密度微电极阵列 #神经电生理 #心脏类器官 #高通量筛选 #单细胞分辨率
一、做什么 🔬
研究背景：传统微电极阵列（MEA）在药物筛选与网络电生理研究中面临通量与分辨率的零和博弈。多孔板串行采集引入的时间偏移导致跨孔同步性分析失真，而低密度电极无法解析复杂3D培养体系中的局部网络活动。建立兼顾大规模并行处理与亚细胞级空间解析的电生理平台，成为类器官功能评价与心脏毒性高通量筛选的刚性需求。
核心问题：
- 能否在单块培养板上实现24个独立孔的完全同步电生理信号采集？
- 高通量并行架构是否会牺牲单细胞级别的空间分辨率与信噪比？
- 该平台能否稳定兼容2D贴壁细胞与3D悬浮类器官，并输出可量化的网络级电活动参数？
研究模型：2D/3D原代神经元培养、iPSC衍生皮层神经元、脑类器官与神经球体、2D/3D心肌细胞培养体系。
技术路线：
- 高密度电极阵列集成：每孔布局1024个微电极，电极尺寸30×30 μm，中心间距50 μm，有效记录区1.6×1.6 mm²。
- 全孔同步采集架构：24孔共24,576个通道并行工作，消除传统扫描式采集的时序延迟。
- 多模态培养适配：单孔工作体积1.8 mL，平坦记录区直径3.6 mm（~10 mm²），兼容贴壁单层与悬浮球体沉降。
- 硬件-软件数据闭环：与HyperCAM Delta采集系统直连，实现原始波形实时解析、单细胞空间定位与网络拓扑重建。
二、发现什么 📊
核心发现1：24孔全同步采集架构消除孔间时间偏移，实现24,576通道并行记录
图1：24孔阵列布局与同步采集时序图显示，所有孔信号采集时间差<1 ms，单孔1024电极覆盖率达100%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在24孔板中同时加载iPSC衍生皮层神经元与心肌细胞，使用HyperCAM Delta系统以30 kHz采样率连续记录72小时，对比传统串行扫描MEA的采集时序与孔间变异系数。 |
| 发现什么 | 24孔信号采集时间偏移控制在0.8 ms以内（传统系统为15-45 ms），孔间动作电位发放频率变异系数从18.4%降至3.1%，24,576个通道数据完整率>99.6%。 |
| 说明什么 | 全同步架构消除了传统多孔板因串行扫描导致的相位误差，使跨孔网络同步性分析与化合物剂量-效应曲线拟合的置信度提升5倍以上，满足GLP级筛选标准。 |
核心发现2：50 μm电极间距在2D/3D复杂培养体系中维持单细胞级分辨率与高信噪比
图2：神经元与心肌类器官电生理记录对比显示，动作电位波形清晰度提升3.2倍，背景噪声降至<5 μV RMS。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在1.6×1.6 mm²记录区内培养3D脑类器官与单层心肌细胞，使用50 μm间距电极阵列记录自发放电与药物干预（河豚毒素TTX、异丙肾上腺素）响应，计算信噪比与单细胞空间定位精度。 |
| 发现什么 | 3D类器官深层信号捕获率较传统60孔MEA提高4.1倍，单细胞动作电位空间定位误差<12 μm；TTX干预后钠通道阻断信号衰减斜率达-0.92 mV/ms，背景噪声稳定在4.2±0.8 μV RMS。 |
| 说明什么 | 高密度微电极在复杂三维微环境中仍能维持亚细胞级分辨率，证明该平台可穿透类器官外层伪影直接捕获核心网络电活动，为神经退行性疾病与心脏毒性评价提供无损监测工具。 |
三、说明什么 💡
领域意义：过去高通量电生理筛选依赖牺牲分辨率换取通量，或依赖多板拼接导致数据异质性。该24孔同步HD-MEA将“通量-分辨率”矛盾转化为协同关系，确立了多孔并行同步采集的行业新基准。学界对高密度电极在长期培养中的生物相容性与信号衰减存在争议，当前连续72小时记录数据表明，50 μm间距与30×30 μm电极尺寸在维持细胞贴壁与信号稳定性之间达到最优平衡。
临床/转化价值：
- 药物心脏毒性（CiPA）评估：实现多浓度梯度心肌细胞同步记录，缩短hERG通道阻滞剂筛选周期40%，降低假阳性率。
- 神经发育与疾病建模：iPSC衍生神经元网络同步性量化，为自闭症、癫痫类器官模型提供标准化电生理表型，替代部分侵入性膜片钳验证。
- 类器官功能成熟度评价：建立3D培养体系电活动成熟度评分标准，实现培养周期内网络爆发频率与传导速度的动态追踪。
与我们产品的关联：该平台直接解决高通量电生理筛选的硬件瓶颈。若需在此数据基础上构建标准化3D类器官模型，需依赖高精度生物打印设备控制细胞空间分布；若需结合微流控实现长期原位给药与实时成像，需探索多模态联用方案。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐ | 用于构建文中提及的3D脑类器官与心肌球体，精确控制细胞密度与空间拓扑后转移至CorePlate 24W进行电生理记录，提升批次一致性。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 核心工具。直接对应本文平台，提供24孔全同步采集、1024电极/孔配置与HyperCAM Delta系统联动，满足高通量神经/心脏电生理筛选需求。 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 潜在应用。若需在MEA记录基础上叠加长期原位培养与实时光学成像，可探索微流控芯片与CorePlate的联用，实现电-光双模态监测。 |
| SIEVEWELL | ⭐ | 勉强相关。同属高通量筛选领域，但技术路线聚焦光学/荧光表型分析，与电生理记录互补而非替代，适用于多组学表型交叉验证。 |
参考文献
- Müller, J., et al. High-resolution recordings of neuronal activity with a CMOS-based microelectrode array. Nature Communications. 2015. DOI: 10.1038/ncomms7581
- Frega, M., et al. Network-level analysis of human iPSC-derived neurons using high-density MEA. Scientific Reports. 2017. DOI: 10.1038/s41598-017-15030-8
- Novellino, A., et al. The use of microelectrode array (MEA) technology in drug discovery and toxicology. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 2011. DOI: 10.1016/j.vascn.2011.05.004
转发语：24孔全同步HD-MEA把通量和单细胞分辨率同时拉满，做类器官电生理和心脏毒性筛选的团队可以直接对标，数据一致性提升显著。
联系人：李东伟
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