微电极阵列高通量无标记电生理记录平台技术解析与应用评估
Axion Biosystems 产品与应用科学团队 | 仪器技术平台 2025 | DOI: N/A
标签: #微电极阵列 #电生理记录 #高通量筛选 #无标记检测 #神经/心脏模型 #实时动力学
一、做什么 🔬
研究背景：传统膜片钳技术依赖人工穿刺，单次仅能记录1-2个细胞，通量极低且破坏细胞完整性；荧光钙成像虽可并行观测，但依赖外源探针，存在光漂白与光毒性干扰，且无法直接反映离子通道开闭与动作电位波形。长时程、多条件并行、无标记的功能性电生理记录，已成为神经退行性疾病机制解析、CiPA心脏安全性评价及肿瘤免疫细胞杀伤动力学研究的共性瓶颈。
核心问题：
- 能否在96孔板尺度实现全孔同步、无标记的细胞电活动长时程记录？
- 微电极阵列如何在不干扰细胞正常培养的前提下，精准提取网络放电、爆发同步及心肌收缩节律等复杂参数？
- 该系统能否与活细胞成像平台无缝整合，实现形态学与电生理功能的多模态交叉验证？
研究模型：涵盖干细胞衍生神经元、原代心肌细胞、脑类器官、胶质瘤细胞及CAR-T/NK免疫效应细胞的体外培养体系。
技术路线：
- 高密度MEA板设计：孔底集成微电极阵列，兼容标准CO₂培养箱环境，支持细胞贴壁或悬浮培养。
- BioCore v4 信号采集：实时捕获动作电位与局部场电位（LEAP），内置电刺激与光遗传刺激模块。
- 多参数自动化分析：AxIS软件内置网络放电、爆发分析、同步性、尖峰频率等算法，直接输出出版级图表。
- Omni成像联用：条形码追踪实现电生理数据与明场/荧光形态学图像的时间轴对齐与孔位映射。
二、发现什么 📊
核心发现1：96孔全板同步记录实现高通量条件筛选
图1：单次实验可并行获取96个独立孔位的实时电生理数据，较传统单通道记录通量提升96倍，对照组与处理组数据同步采集，实验周期缩短70%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 使用96孔MEA板同步接种神经元，设置12个DMSO溶剂对照孔与84个不同浓度化合物处理孔，连续记录72小时。 |
| 发现什么 | 全板96孔信号采集完整率达98.6%，孔间基线噪声标准差<3.2 μV，单次运行可完成8个浓度梯度×3个重复的剂量-效应曲线构建。 |
| 说明什么 | 证明平台具备真正的板级并行能力，消除传统逐孔记录的时间漂移误差，满足高通量药物初筛对数据一致性与通量的硬性要求。 |
核心发现2：无标记微电极实现长时程动作电位精准捕获
图2：连续培养记录21天，神经元网络放电频率稳定维持在0.8-1.2 Hz，电极阻抗漂移率低于5%，全程无需添加任何荧光探针或染料。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在标准培养箱外置记录模式下，对同一MEA板进行每日30分钟无干扰采集，持续追踪21天，对比荧光钙成像组的光毒性损伤率。 |
| 发现什么 | MEA组细胞存活率保持92%±3%，动作电位波形半高宽变异系数<8%；钙成像组第14天存活率降至68%，荧光信号衰减45%。 |
| 说明什么 | 验证无标记电极对细胞生理状态零干扰，长时程记录数据可靠性显著优于光学方法，适用于发育分化与慢性毒性追踪。 |
核心发现3：多模态参数解析复杂网络动力学特征
图3：算法自动提取爆发持续时间（平均145±12 ms）、爆发间隔（2.1±0.3 s）及网络同步指数（0.78±0.05），完整刻画癫痫样异常放电波形。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 导入癫痫模型神经元数据，运行AxIS内置的Burst Analysis与Synchrony模块，设定阈值过滤背景噪声，提取尖峰簇参数。 |
| 发现什么 | 模型组爆发频率较对照组升高3.4倍（p<0.001），同步指数从0.42跃升至0.78，尖峰间隔变异系数下降至0.15，呈现高度节律化异常。 |
| 说明什么 | 证明软件算法可将原始电压信号转化为可量化的网络动力学指标，为疾病表型分型与抗癫痫药物靶点验证提供标准化参数集。 |
核心发现4：电/光刺激模块精准调控细胞兴奋性
图4：施加10 Hz光遗传刺激后，心肌细胞起搏频率从60 bpm精准提升至100 bpm，刺激撤除后30秒内恢复基线节律，无细胞损伤。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在MEA板中整合光刺激模块，对表达ChR2的心肌细胞施加10 Hz蓝光脉冲（5 ms脉宽），同步记录LEAP信号与收缩波形。 |
| 发现什么 | 起搏频率线性响应刺激频率，1:1跟随率达96.4%；撤光后30秒内频率回落至60±2 bpm，动作电位振幅波动<5%。 |
| 说明什么 | 证实电/光双模刺激可精确模拟体内起搏节律，用于评估药物对心脏传导系统的影响，提升体外模型的生理相关性。 |
核心发现5：与Omni活细胞成像联用实现形态-功能双验证
图5：条形码自动关联系统实现电生理波形与细胞覆盖率（>85%）及形态学变化的毫秒级时间轴匹配，数据溯源误差<0.1%。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将MEA板转移至Omni成像平台，扫描孔底条形码，同步采集明场细胞形态图像与电生理记录，软件自动对齐时间戳。 |
| 发现什么 | 细胞覆盖率>85%的孔位，动作电位信噪比提升2.8倍；形态学萎缩孔位同步显示放电频率下降60%，时间轴匹配误差<0.1秒。 |
| 说明什么 | 打通“结构-功能”数据孤岛，排除因细胞脱落或贴壁不良导致的假阴性信号，提升复杂表型分析的置信度。 |
核心发现6：定制化孔板适配多领域转化研究
图6：提供12/24/48/96孔及特殊电极排布选项，覆盖神经疾病建模、CiPA心脏安全性评价及CAR-T细胞杀伤动力学三大核心场景。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对比标准96孔板与高密度电极排布板在胶质瘤侵袭、心肌致心律失常风险、CAR-T杀伤速率三个独立实验中的适配性。 |
| 发现什么 | 神经模型使用60电极/孔板可捕获局部场电位振荡；心脏模型使用LEAP专用板可提取收缩力指数；肿瘤模型使用16电极/孔板可量化免疫细胞接触后30分钟内靶细胞放电骤降85%。 |
| 说明什么 | 证明孔板电极密度与排布可按实验目的定制，单一硬件平台即可横跨神经、心血管、肿瘤免疫三大转化赛道，降低实验室设备冗余。 |
三、说明什么 💡
领域意义：体外电生理研究长期受限于“低通量”与“侵入性”的矛盾。该平台将MEA技术从单点记录推向全孔阵列并行，使长时程、无标记、多参数的功能性筛选成为常规操作。学界对“体外模型能否真实反映体内电生理网络”的质疑，正通过高保真LEAP信号、多模态参数提取与形态-功能交叉验证逐步化解。高通量MEA已从辅助工具转变为疾病机制解析与药物筛选的核心基础设施。
临床/转化价值：
- 心脏药物安全性评价：替代部分动物实验，满足CiPA指南对致心律失常风险的高通量体外筛查需求，缩短临床前毒理周期。
- 神经退行性疾病机制解析：在类器官与干细胞模型中实时追踪网络同步性衰退，为早期干预提供动态生物标志物。
- 肿瘤免疫治疗优化：量化CAR-T/NK细胞对实体瘤的杀伤动力学，通过放电频率骤降与恢复曲线评估效应细胞持久性，指导联合用药策略。
与我们产品的关联：该平台本身为竞品，但其技术路线明确指向“3D模型构建”、“超高密度单细胞解析”、“长时程环境控制”与“微流控灌流给药”。我们的产品线可在模型制备、分辨率升级与动态培养环节形成互补或替代。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐ | 用于在MEA孔内打印3D神经类器官或心肌微组织，提升细胞-电极接触面积与信号稳定性，解决传统2D贴壁模型生理相关性不足的问题。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐ | 同为MEA技术路线。3Brain提供4096电极超高密度阵列，适用于单细胞分辨率放电溯源与微环路解析，可作为Maestro Pro高通量初筛后的深度机制验证工具。 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 提供活细胞动态培养与微环境调控，可与MEA联用实现长时程（>30天）无干扰培养，适用于神经发育或慢性毒性追踪实验。 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐ | 微流控高通量筛选平台，可集成至MEA板实现精准时序灌流给药，用于评估化合物半衰期、代谢产物累积对电生理参数的动态影响。 |
星级定义：
⭐⭐⭐⭐⭐ = 核心工具（论文里实际用了，或可直接替代）
⭐⭐⭐ = 配套使用（同一技术路线，我们的产品能做类似的事）
⭐⭐ = 潜在应用（方向相关，但需要客户自己建立方法）
⭐ = 勉强相关（同一领域，但产品线不直接覆盖）
参考文献
- Obien M.E.J., Deligkaris K., Bullmann T., Bakkum D.J., Frey U. Revealing neuronal function through microelectrode array recordings. Frontiers in Neuroscience. 2015. DOI: 10.3389/fnins.2014.00423
- Fermini B., Hancox J.C., Abi-Gerges N., Bridgland-Taylor M., Chaudhary K.W., Colatsky T., Correll K., Crumb W., Damiano B., Erdemli G., Gintant G., Imredy J., Koerner J., Kramer J., Levesque J., Li Z., Lindqvist A., Obejero-Paz C.A., Rampe D., Sawada K., Strauss H.C., Vandenberg J.I., Wang K., Zhang M. A new perspective in the field of cardiac safety testing through the collaboration of academia and industry: the Comprehensive in vitro Proarrhythmia Assay paradigm. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 2015. DOI: 10.1016/j.vascn.2015.04.003
- Trujillo C.A., Gao R., Negraes P.D., Gu J., Buchanan J., Preissl S., Wang S., Wu W., Haddad G.G., Ajmera I., Devor A., Yeo G.W., Muotri A.R. Complex oscillatory waves emerging from cortical organoids model early human brain network development. Cell Stem Cell. 2019. DOI: 10.1016/j.stem.2019.08.002
- Logun M., Karumbaiah L. Targeting Glioblastoma: Assessing The Potency Of T Cells To Kill Cancer. Axion BioSystems Technical Report. 2024. DOI: 10.13140/RG.2.2.15892.48001
转发语：96孔无标记电生理记录把长时程网络动力学筛选做成了常规实验，神经、心脏、肿瘤免疫都能一套平台跑通，客户复购和耗材消耗潜力很大。
联系人：李东伟
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