细胞组织拉伸耦合电生理及实时成像系统 返回列表页

MEASSuRE 细胞组织拉伸耦合电生理及实时成像系统
微电极阵列拉伸刺激和记录设备

MEASSuRE 是一个完整的解决方案，供研究人员单独或同时机械拉伸细胞/组织、对其进行光学成像以及记录/刺激电生理活动。

通过电生理测量评估细胞健康和成熟度

拉伸前：电极记录细胞拉伸前的神经活动。	拉伸过程中：可拉伸电极在拉伸运动中随组织移动。	拉伸后：可拉伸电极记录与拉伸运动前相同位置的神经活动。

生理拉伸，细胞在其健康范围内拉伸：

干细胞向特定细胞类型的分化受微环境因素的调节，例如化学因素、机械力和电场。现有的指导干细胞分化的产品是单独使用化学因子，或者结合机械力或电场。MEASSuRE 为研究人员提供了独立操纵这三个因素的唯1一方法，这将允许生成比当前方法更接近体内成熟器官的器官和组织，即它们将更接近地复制人体的复杂性.  

病理性拉伸，细胞拉伸超出其健康极限，造成创伤：

MEASSuRE在体外受控环境中重现神经外伤（创伤性脑损伤，TBI；脊髓损伤，SCI）或肌肉损伤的生物力学。可拉伸 MEA 中的电极随细胞/组织一起拉伸，即，它们在拉伸之前、期间和之后保持与组织上相同位置的接触。这种能力允许通过比较受伤后细胞的电生理学（例如，信号幅度和频率）与受伤前的水平来直接、直接地评估受伤细胞的损伤，即，MEASSuRE 是一个筛选平台，用于评估药物和其他治疗策略对神经外伤的疗效。筛选基于受损细胞和组织切片的电生理学。sMEA 中的电极是可弹性拉伸的，即它们还允许调查同一细胞/组织的反复损伤，例如，研究反复脑震荡（轻度 TBI）的细胞和分子机制，这一点知之甚少。

MEASSuRE 将作为一个平台，从根本上改进方法，在受控的体外环境中研究细胞的生理拉伸和病理拉伸。此外，MEASSuRE 允许在整个拉伸过程中对细胞进行光学成像，以验证组织应变并检测组织的形态变化。

 运行原理

Morrison 等人，神经科学方法杂志，150:192，2006 年。

通过在压头上拉动带有嵌入式微电极的硅胶膜来拉伸细胞。电极随组织一起伸展，因此能够记录从同一位置伸展前后的神经活动。

优势特点：

A. 细胞培养的同时机械、光学和电气接口：

MEASSuRE 的特殊之处在于它结合了三种与细胞或组织培养相互作用的模式：机械、光学和电学。此功能可带来以下好处。

1. 拉伸前和拉伸后的比较： MEASSuRE 允许将细胞/组织的拉伸后电生理活动标准化为拉伸前水平，因为可拉伸 MEA 上的微电极会随着细胞/组织拉伸，即它们与细胞/组织保持接触在拉伸之前、期间和之后组织（或细胞培养物）上的相同位置。这是 MEASSuRE 的特殊价值主张，由我们的可拉伸微电极技术实现。

2. 重复拉伸和松弛：可拉伸 MEA 的微电极随组织弹性拉伸，允许循环或重复拉伸。这种能力对于研究反复受伤（例如脑震荡）的影响以及器官芯片和再生医学应用非常重要。

3. 组织应变验证：细胞所经历的应变取决于细胞粘附在底层硅胶膜上的强度和均匀性，不一定与可拉伸 MEA 的 PDMS 基板上的应变相同，这取决于位移压头。因此，重要的是能够准确地确定细胞被拉伸了多少。MEASSuRE 提供了这种能力。通过设计，细胞在拉伸过程中保持在镜头的焦平面上，即细胞可以在整个拉伸过程中使用内置高速相机进行成像。BMSEED 基于 MATLAB 的图像分析软件允许使用这些图像计算细胞应变。

4. 方便省时：与必须使用 2 或 3 个单独的工具相比，能够使用一个工具执行三个操作非常方便，并且节省时间和空间。

B. 应变的高再现性：音圈致动器 (VCA) 通过将可拉伸 MEA 的可拉伸部分拉到圆柱形压头上，产生运动以在可拉伸 MEA 和组织上产生应变。VCA 中内置的位置传感器和 PID 控制器可实现精1确的闭环运动控制。其他细胞拉伸器使用气动系统或电机来产生应变。气动系统中的真空吸力无法精1确控制，因为在被拉伸的膜中没有位置传感器反馈（无闭环），提供较少的可重复应变，这将随基材特性而变化。电机控制系统在位置（即应变）和电机输出之间没有闭环反馈。

C. 通用性强：在 VCA 限制范围内的任何拉伸模式（关于加速度、速度和冲程）都可以使用宏进行编程。樶多有 64 种预编程拉伸模式，因此与 MEASSuRE 相比，严重限制了用户的选择。

D. 高应变： MEASSuRE 产生高达 50% 的应变。其他产品的应变一般为20-30%，只有MEASSuRE能产生的应变高达55%。

E. 高应变率：由于使用音圈致动器 (VCA) 产生拉伸运动，MEASSuRE 能够针对 >100/s 的非常高的应变率产生足够高的速度和加速度。竞争对手能够产生的应变率很低，通常 <10/s。

F. 径向和线性应变： MEASSuRE 能够在同一工具中产生径向和线性应变。只需要更换可拉伸 MEA 被拉动的压头类型。竞争对手也提供线性和径向拉伸器，但不是在同一工具上，即客户需要购买不同的细胞拉伸器。

G. 价格： MEASSuRE 系统整体价格小于同类功能三个分开系统的综合购买价格。

应用方向

每年有超过 170 万美国人遭受创伤性脑损伤 (TBI) 或脑震荡，220,000 人住院，66,000 人死亡。此外，每年有 12,000-20,000 名美国人遭受脊髓损伤 (SCI)。尽管过去几十年在研究和药物开发上投入了数十亿美元，但人们对神经外伤的机制知之甚少，神经保护药物的 30 项临床试验全部失败。此外，流行病学数据表明，创伤性脑损伤 (TBI) 病史是导致阿尔茨海默病 (AD)发展的重要环境风险因素。AD 和 TBI 之间存在联系的证据是淀粉样蛋白 (Abeta)在 TBI 后急性死亡的 30% 患者中发现了与 AD 早期观察到的斑块相似的斑块。此外，重复性脑震荡或轻度 TBI (mTBI) 可能导致永1久性退行性变化，包括 AD、慢性创伤性脑病和痴呆。

MEASSuRE 使功能性药物筛选能够直接评估候选药物的神经保护功效，加速临床前药物发现过程。

生理拉伸

组织工程	药物毒性测试	生物力学应用
当细胞在分化过程中受到力学刺激和电刺激时，分化成特定组织的干细胞具有更接近成体组织的特性。	在力学刺激和电刺激下分化的干细胞生长的组织更能代表成年人各自的器官，从而提高了制药公司进行药物毒性试验的有效性。	在神经元和其他细胞类型中，有多种机制可以转导和感知机械力，MEASSuRE 提供了从根本上了解生物力学影响的能力。

病理拉伸

神经外伤	脑震荡	肌肉损伤和疼痛	干细胞修复机制	阿尔茨海默氏病
MEASSuRE 再现了 TBI 和 SCI 的生物力学。通过将受伤后的电生理学与受伤前的水平进行比较，可以很容易地评估受伤神经元的健康和功能的变化。因此，可以很容易地评估神经保护治疗的有效性，以樶大限度地减少损伤后的损伤。	MEASSuRE 将允许研究人员和医生开发改进的脑震荡协议，这些协议基于潜在损伤的电生理学而不是认知测试。	MEASSuRE 将允许调查由过度紧张或压缩引起的肌肉损伤的机制，并评估药物以加速恢复。	干细胞参与身体不同部位受伤后的修复过程，例如创伤性脑损伤后的大脑。机械感受器激活的机制尚不清楚。MEASSuRE 将是阐明和研究这种机制的有用工具。	阿尔茨海默病等神经退行性疾病与 TBI 有共同的病理学途径，例如淀粉样斑块的形成。因此，MEASSuRE 可能是早期评估候选药物抗阿尔茨海默病疗效的宝贵工具。

临床前药物筛选
失败的方法：基于目标的高通量筛选 (HTS) 先导化合物的发现基于针对分子靶标的活性 必须知道目标 理论往往是错误的 不太可能发现通过新的生物学机制起作用的化合物
更好的方法：使用器官切片或分离的细胞培养物进行功能筛选 直接评估目标组织的神经保护特性 目标不需要知道 通过电生理测量直接评估细微细胞功能 伤后正常化至伤前水平 内置内部控制
MEASSuRE 在神经保护化合物的功能性药物筛选上的优势
MEASSuRE 在创伤性脑损伤 (TBI) 药物发现方面的优势 根据电生理组织对拉伸（损伤）的反应筛选导联 无需知道目标 发现新的生物学机制 在临床前开发的早期淘汰候选药物 避免拒绝潜在的候选药物 通过减少体内测试的数量来节省时间、资金和动物实验数量

案例分享

评估 TBI 后器官型海马切片培养物 (OHSCs) 的长期增强作用

基于 OHSC 的体外模型维持海马体的结构，并提供一个平台来研究多种细胞类型的相互作用。长时程增强 (LTP) 是基于突触可塑性的学习和记忆的体外细胞关联。反复轻度损伤后长期增强作用降低。本研究展示了在 MEASSuRE 平台中使用可拉伸微电极阵列 (sMEA) 如何在检测 TBI 后 LTP 损伤（即突触可塑性降低）中发挥关键作用。

方法

将源自 P8-10 Sprague-Dawley 大鼠海马的 OHSC 置于 sMEA 上，并在培养箱中保存至少 10 天。用MEASSuRE的电生理学模块记录自发活动和刺激反应 (SR) 曲线。然后使用 MEASSuRE 的力学模块对切片（每个 sMEA 一个）进行中度双轴拉伸损伤（平均应变：16.2%，应变率：16.8 s-1），或假损伤作为对照。实际组织应变通过 MEASSuRE成像模块记录的高速视频进行确认。  受伤后 24 小时，第二次记录自发活动和 SR 曲线。为了测量可塑性，用 100Hz 的 3 轮 100 个脉冲诱导长期增强，间隔 10 秒，在 i50 下施加一次。LTP 百分比值计算为可塑性诱导后 50-60 分钟测量的响应大小，归一化为基线的樶后 10 分钟。

结果

总体放电率、自发活动的幅度、SR 参数或受伤前后的平均爆发次数没有变化。然而，受伤后平均爆发的尖峰长度有所减少（7.78 ± 0.71 对 5.94 ± 0.16，N = 10-12 片，*p<0.05）。  与基线相比，受伤后 24 小时的 LTP 缺陷是稳健的（48.06 ± 13.50 对 -3.62 ± 2.79%，N=4 切片 **p<0.01，见图）。

受伤后，通过高频刺激诱导 LTP 不会增加在假损伤 OHSC 中看到的反应幅度

结论

可伸缩微电极阵列 (sMEA) 提供了一种特殊的方法来研究受伤前后同一 OHSC 的电活动。在此示例中，检测到损伤后存在较大的 LTP 缺陷，可用作评估 TBI体外治疗的模型。