使用 3D 高密度微电极阵列增强急性脑切片、球体和类器官中的电生理记录
期刊: PLOS One, 2025, 20(9): e0328903
DOI: 10.1371/journal.pone.0328903
PMID: 40906696
作者: Lisa Mapelli, Danila Di Domenico, Giacomo Sciacca, Francesco Mainardi, Alessandra Ottaviani, Anita Monteverdi, Mariateresa Tedesco, Chiara Rosa Battaglia, Simona Tritto, Mauro Gandolfo, Kilian Imfeld, Stefanie Kiderlen, Lukas Krainer, Chiara Cervetto, Manuela Marcoli, Anson Sing, Jimena Andersen, Fikri Birey, Steven A. Sloan, Alessandro Maccione, Egidio D'Angelo
机构: 帕维亚大学；3Brain AG；蒙多诺基金会；热那亚大学；埃默里大学脑类器官中心
利益冲突: Tedesco, Sciacca, Battaglia 为 3Brain 雇员；Gandolfo, Imfeld, Maccione 为 3Brain 股东
📋 摘要
三维（3D）生物脑模型的最新进展为理解神经网络复杂性创造了新机会，但也带来了从高时空分辨率多点记录 3D 电活动的技术挑战。平面 MEA 只能接触神经结构的一侧。本文评估了先进 3D HD-MEA 技术在急性脑切片、球体和类器官中组织 - 传感器界面的效率。3D HD-MEA 微针到达样本内层而不损害网络完整性，微通道网络改善了组织活力和化合物扩散。
🔬 核心科学问题
平面 MEA 的局限性：
- 只能记录最外层，无法获取 3D 结构内部活动
- 组织粘附限制灌注，降低活力和药物扩散
- 切片底部缺氧和营养不足
- 刺激效率低：难以通过平面电极有效刺激 3D 组织内部
🧪 技术方案
3D HD-MEA 芯片设计
| 特征 | 平面 HD-MEA | 3D HD-MEA |
|---|---|---|
| 电极数 | 4096 (64×64) | 4096 (64×64) |
| 电极间距 | 60 μm | 60 μm |
| 记录面积 | 3.8 × 3.8 mm² | 3.8 × 3.8 mm² |
| 电极结构 | 21 μm 铂方 | 30 μm 底座 + 90/65 μm 微针 |
| 微通道 | ❌ 无 | ✅ 底座间形成微通道 |
| 采样率 | 20 kHz | 20 kHz |
两种微针尺寸
| 类型 | 宽度 | 高度 | 适用样本 |
|---|---|---|---|
| 大型微针 | 26 μm | 90 μm | 脑切片 |
| 小型微针 | 14 μm | 65 μm | 类器官、球体 |
测试样本
| 样本类型 | 来源 | 数量 |
|---|---|---|
| 小脑切片 | C57BL6 小鼠（20-26 天） | 6 片 |
| 皮层 - 海马切片 | C57BL6 小鼠 | 4 片 |
| 前额叶皮层切片 | C57BL6 小鼠 | 7 片 |
| 脑球体 | 大鼠胚胎 E18-19 | 6 个（400/600 μm） |
| 皮层类器官 | hiPSC, DIV 219 | 1 个 |
| 脊髓类器官 | hiPSC, DIV 131 | 1 个 |
📊 关键实验数据
Figure 1. 3D HD-MEA 芯片表征与组织穿透
- 微针穿透组织达三分之一厚度（小脑切片 250 μm → 穿透 ~80 μm）
- 微针不弯曲、不变形组织
- 双光子显微镜确认微针穿透无可见损伤
Figure 2. 组织活力与网络保留
- 底部组织活力：平面 38 ± 4% vs 3D HD-MEA 76 ± 3%
- VSDi 显示网络活动空间分布无显著差异（p=0.66）
Figure 3. 小脑切片记录能力
| 参数 | 平面 | 3D | 提升 |
|---|---|---|---|
| 活跃电极数 | 390 ± 49 | 790 ± 62 | +103% *** |
| 排序细胞数 | 371 ± 45 | 668 ± 39 | +80% *** |
| 平均发放率 | 25 ± 1.8 Hz | 51 ± 5.4 Hz | +105% ** |
| 峰峰值振幅 | 76 ± 5 μV | 111 ± 9 μV | +46% ** |
Figure 4. 皮层 - 海马切片记录
| 参数 | 平面 | 3D | 提升 |
|---|---|---|---|
| 皮层活跃电极数 | 56 ± 17 | 154 ± 25 | +175% * |
| 峰峰值振幅 | 166 ± 7 | 257 ± 30 | +55% * |
Figure 5. 3D HD-MEA 加速药物作用
- TTX 抑制时间：3D HD-MEA 在 10%、50%、90% 下降时均显著快于平面（p < 0.0001）
Figure 6. 电刺激诱发活动
- LFP 传播速度：311 ± 39 mm/s
- 平面 HD-MEA 无法激活颗粒层
Figure 7. 前额叶皮层活动
- 983 个活跃通道（占 PrL 43%），平均发放率 0.71 ± 0.09 Hz
- 生理条件下即可检测稀疏活动（无需 0 mM Mg²⁺）
Figure 8. 脑球体记录
- 球体：400/600 μm，活跃细胞/电极比 ~1.5
- 相邻球体活动不同步，可独立分析
Figure 9. 皮层类器官记录
- 219 天 hiPSC 皮层类器官
- +1 mM KCl：发放率 +18%，爆发率 +14%
- +5 mM KCl：发放率 -22%，爆发率 -50%
Figure 10. 脊髓类器官记录
- 131 天 hiPSC 脊髓类器官
- +1 mM KCl：发放率从 0.06 增至 1.2 Hz（+1916%）
- +5 mM KCl：发放率降至 0.4 Hz（-66%）
🌟 创新点
- 组织穿透 — 微针穿透切片 1/3 厚度，球体完全穿透
- 活力提升 — 底部活力从 38% 提升至 76%
- 记录效率倍增 — 活跃电极 +103%，细胞数 +80%
- 药物扩散加速 — TTX 抑制时间显著缩短
- PFC 生理条件记录 — 无需 Mg²⁺ 操作
- 类器官急性测量 — 无需芯片上培养
⚠️ 局限性
- 类器官样本量小（各 1 个）
- 均为急性测量，无长期记录
- 小型微针长期组织损伤未评估
💡 产品价值
| 优势 | 客户价值 |
|---|---|
| 4096 电极全覆盖 | 同时记录数千神经元 |
| 微针穿透 3D 组织 | 获取内部层活动 |
| 微通道促进灌注 | 组织活力提升，药物扩散加速 |
| 双向刺激 | 记录 + 刺激，研究功能连接 |
| 无需支架 | 组织自然放置即可记录 |
| 兼容多种样本 | 切片、球体、类器官均可 |
📎 原文下载
- PDF 原文 (SeaFile): PMID_40906696_3D_HDMEA_PLOS_One_2025.pdf
- DOI: 10.1371/journal.pone.0328903
- 参考文献: 97 篇
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