激光光声穿孔实现平面微电极阵列对原代神经元胞内信号的纵向无损记录
Rustamzhon Melikov, Giuseppina Iachetta, Marta d’Amora, Giovanni Melle, Silvia Conti, Francesco Tantussi, Michele Dipalo, Francesco De Angelis | Advanced Materials 2025 | DOI: 10.1002/adma.202412697
标签: #微电极阵列 #光声穿孔 #神经元电生理 #胞内记录 #纵向监测
一、做什么 🔬
研究背景：传统体外微电极阵列（MEA）记录神经元活动多局限于细胞外场电位，信号幅值低（通常<1 mV）且易受背景噪声干扰，难以解析突触可塑性与网络连通性。获取高质量胞内信号长期依赖3D纳米结构电极修饰或电穿孔技术，前者制备复杂且难以规模化，后者侵入性极强，极易引发细胞脱落、电静默或凋亡，无法支持同一神经元的重复观测与跨天追踪。
核心问题：
- 能否在未经3D纳米修饰的商用平面MEA电极上实现稳定的神经元胞内信号耦合？
- 激光光声穿孔技术是否能在不干扰神经元自发网络活动的前提下，捕获动作电位及阈下突触信号？
- 该穿孔过程是否具备非侵入性，从而支持对同一细胞进行多次、跨天的纵向重复测量？
研究模型：原代大鼠海马神经元（体外培养21-28天，形成自发同步爆发网络）。
技术路线：
- 商用平面MEA平台：直接采用3Brain纳米多孔铂（Pt HD-MEA）与MCS PEDOT:CNT电极，跳过微纳加工步骤。
- 活细胞荧光靶向标记：使用NeuroFluor NeuO探针特异性标记神经元胞体，辅助激光精准定位穿孔位点。
- 近红外激光光声穿孔：1064 nm超快脉冲激光聚焦于电极-细胞界面，诱导局部热电子发射与纳米级膜孔形成。
- 多通道电生理与网络动力学分析：同步采集穿孔前后4096/60通道信号，量化发放频率、爆发参数、相干性与互相关函数。
二、发现什么 📊
核心发现1：商用平面电极具备高效近红外光吸收特性，可作为光声穿孔换能器
图1：PEDOT:CNT电极在1000-1100 nm波段反射率降至约50%，近红外吸收与散射显著增强，为低功率激光诱导局部膜穿孔提供光学基础。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 采用扫描电镜（SEM）表征Pt HD-MEA与PEDOT:CNT电极表面形貌，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定PEDOT:CNT电极在900-1100 nm波段的反射率、透射率、吸收率与散射率。 |
| 发现什么 | Pt电极呈现纳米级多孔粗糙结构；PEDOT:CNT电极在1000-1100 nm区间反射率最低降至约50%，表明超过一半的入射激光能量被电极界面吸收或散射。 |
| 说明什么 | 平面电极固有的纳米粗糙度与高近红外吸收特性使其能够作为光声换能器，在低激光功率下即可产生局部热电子发射与纳米冲击波。该物理机制替代了复杂的3D纳米柱结构，证明商用平面电极本身即可满足光声穿孔的能量耦合需求。 |
三、说明什么 💡
领域意义：该研究打破了“平面MEA仅能记录胞外信号”的技术壁垒。传统认知认为胞内记录必须依赖3D纳米探针或高侵入性电穿孔，本研究证实商用平面电极结合激光光声穿孔即可实现高质量胞内记录。学界对信号幅值（0.4-2 mV，低于全细胞膜片钳的~100 mV）存在讨论，但研究已明确该幅值足以清晰分辨阈下突触后电位（EPSP）与巨去极化电位（GDP），将平面MEA的应用边界从“网络平均活动”推进至“单细胞亚阈值动力学”。
临床/转化价值：
- 为神经毒性筛选与精神类药物开发提供可长期追踪同一细胞网络动态的高通量平台，避免传统终点法实验的批次误差。
- 支持在无外源电刺激条件下直接观测突触可塑性指标，提升脑机接口解码算法的生理保真度。
- 技术路线完全兼容市售MEA芯片，无需定制微纳加工，具备快速向标准化神经药筛试剂盒转化的潜力。
与我们产品的关联：
- 3Brain HD-MEA是论文核心硬件，直接验证了该技术的可行性。
- 活细胞成像与长期培养环节可无缝对接现有显微成像与标准化培养系统。
- 若需拓展至3D神经类器官模型测试光声穿孔的空间穿透极限，需依赖高精度生物打印平台构建标准化支架。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文直接使用该设备进行4096通道高密度记录，是验证光声穿孔技术的核心硬件平台 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐ | 适用于MEA芯片接种前的原代神经元扩增培养与长期给药处理，提供标准化无菌微环境 |
| Celvivo | ⭐⭐ | 可用于激光穿孔前后的活细胞荧光成像与膜完整性动态监测，辅助优化穿孔位点与激光参数 |
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐ | 若需将平面穿孔技术拓展至3D神经类器官或高密度神经球模型，可用于前期支架打印与细胞包埋 |
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
- Dipalo M, Melle G, Lovato L, et al. Intracellular recording from cardiomyocytes using plasmonic nanoelectrodes. Nat Nanotechnol. 2018. DOI: 10.1038/s41565-018-0222-8
- Abbott J, Ye T, Krenek K, et al. Intracellular recording of action potentials by nanopillar electroporation. Nat Biomed Eng. 2019. DOI: 10.1038/s41551-019-0493-0
- Xie C, Lin Z, Hanson L, et al. Intracellular recording from cardiomyocytes using nanowire transistors. Nat Nanotechnol. 2012. DOI: 10.1038/nnano.2011.249
- Liu R, Lee J, Tchoe Y, et al. High-density flexible microelectrode arrays for intracellular recording. Adv Funct Mater. 2022. DOI: 10.1002/adfm.202108378
- Berthing T, Bonde S, Rostgaard KR, et al. Nanowire arrays for intracellular recording. Nanotechnology. 2012. DOI: 10.1088/0957-4484/23/41/415102
转发语：激光一照，平面MEA也能无损抓取神经元胞内信号，同一细胞可反复测多天，神经药筛和脑机接口有了新利器。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：Advanced Materials 2025 激光光声穿孔平面MEA