高密度微電極陣列技術(shù) — MaxWell
2019/4/2
高密度微電極陣列技術(shù) — MaxWell
細(xì)胞電生理技術(shù)作為一種在實(shí)踐中形成的，具有可操作性的電生理檢測方法，可以在同一時(shí)間采集到多量細(xì)胞的動(dòng)作電位，對于深化研究大腦神經(jīng)細(xì)胞及其網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研發(fā)新的神經(jīng)修復(fù)技術(shù)有很大的意義。近年來快速發(fā)展的神經(jīng)細(xì)胞電生理技術(shù)主要有兩種類型：膜片鉗技術(shù) ( PCRT ) 和在體多通道微電極陣列神經(jīng)信號技術(shù) ( M-NEMEA )。
傳統(tǒng)膜片鉗技術(shù)對工作臺的機(jī)械穩(wěn)定性要求較高，維持長時(shí)間記錄難度較大；無法測知細(xì)胞靜息膜電位的大小；更換內(nèi)外液比較困難。對于普通使用者來說，練習(xí)至能夠熟練上手膜片鉗需要的時(shí)間長，培訓(xùn)成本太高。
MaxWell 細(xì)胞生物電信號功能成像系統(tǒng) 基于 HD-MEA 的高密度微電極陣列技術(shù)，相較于傳統(tǒng)微電極陣列神經(jīng)信號技術(shù)具有更高分辨率。MaxWell 生物芯片，是目前世界上最先進(jìn)的電生理信號讀取平臺之一，可用于體外細(xì)胞電信號的讀取和電刺激實(shí)驗(yàn)。
基于 CMOS 傳感器技術(shù)制造的高密度微電極陣列（ HD-MEA ）系統(tǒng)，MaxWell 生物芯片是在單個(gè) MEA 芯片內(nèi)，整合了功能強(qiáng)大的信號放大器、濾波器和數(shù)字化儀集成電路，可用于芯片上的細(xì)胞生物電信號記錄。芯片上每個(gè)細(xì)胞可以被多個(gè)電極記錄或給予電刺激，可用于單細(xì)胞活動(dòng)、以及整個(gè)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的長期監(jiān)測。
高時(shí)空分辨率+高質(zhì)量信號
通過記錄細(xì)胞活性，在 MEA 上確定細(xì)胞定位。下圖顯示熒光染色后顯微鏡下的細(xì)胞位置（ MAP2 染色神經(jīng)元細(xì)胞，放大系數(shù)10x）和 MaxOne 芯片檢測到的生物電信號的細(xì)胞位置緊密相關(guān)。生物電信號電子圖像在提供細(xì)胞的位置的同時(shí)，可以檢測多種細(xì)胞活性特征，包括活動(dòng)頻率和振幅。
智能細(xì)胞群體信號記錄
單細(xì)胞長期追蹤通過選用細(xì)胞信號尖峰率，振幅等細(xì)胞信號參數(shù)組合定義單個(gè)細(xì)胞特性。柵格圖展示了利用1,024個(gè)電極檢測到的神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。
軸突電信號追蹤
通過分析細(xì)胞生物電信號成像，研究亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征，例如單個(gè)神經(jīng)元的軸突。生物電信號成像分辨率極高，甚至可以追蹤動(dòng)作電位在軸突上的傳導(dǎo)過程中速度的變化。這項(xiàng)技術(shù)為神經(jīng)突電信號傳導(dǎo)提供更新的研究參數(shù)。
應(yīng)用領(lǐng)域
-
可放置在細(xì)胞培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測；
-
可用于活體組織切片實(shí)驗(yàn)；
-
可使用直立顯微鏡進(jìn)行檢查；
-
可用于不同生物學(xué)體外檢測（視網(wǎng)膜，腦切片，誘導(dǎo)干細(xì)胞或細(xì)胞培養(yǎng)等）。
干細(xì)胞誘導(dǎo)神經(jīng)元
MaxOne可記錄整個(gè)樣本的多個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)和無需任何標(biāo)記的電信號成像。使用MaxOne獲得的細(xì)胞外動(dòng)作電位（EAP）活動(dòng)圖提供了以下信息：
-
產(chǎn)生自發(fā)性電信號的細(xì)胞位置
-
EAP細(xì)胞外電信號的振幅幅度
-
細(xì)胞動(dòng)作電位活動(dòng)頻率。
研究細(xì)胞成熟度和放電活性
可同時(shí)檢測數(shù)百個(gè)iPSC干細(xì)胞誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞的動(dòng)作電位沿著軸突傳播的情況。MaxOne用高質(zhì)量的信號和前所未有的高時(shí)空分辨率來檢測神經(jīng)元的電生理活動(dòng)，甚至可檢測單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞動(dòng)作電位沿軸突傳播的情況。
-
檢測單個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢辉诓煌L天數(shù)內(nèi)的在軸突傳播速度變化。
-
分析動(dòng)作電位在軸突上的傳導(dǎo)速度。
-
比較健康和疾病模型細(xì)胞之間的軸突動(dòng)作電位傳播速度。
0
2
視網(wǎng)膜實(shí)驗(yàn)研究
檢測視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）的感光功能
讀取并識別MEA上的每個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的所屬類型。可以使用MaxOne記錄和分析MEA上每個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）的感光響應(yīng)。
MaxOne的信噪比+高時(shí)空分辨率使分析RGC細(xì)胞軸突信號成為可能。通過用靜態(tài)燈閃爍給視網(wǎng)膜不同的視覺刺激，激發(fā)不同RGC細(xì)胞相應(yīng)的電生理活動(dòng)，并區(qū)分RGC細(xì)胞類型：ON類型，OFF類型或ON-OFF類型。可以通過移動(dòng)光刺激來激發(fā)方向選擇性RGC的生物電信號反應(yīng)。
用MEA技術(shù)記錄活躍神經(jīng)元細(xì)胞高質(zhì)量的生物電信號。
-
可以同時(shí)記錄來自完整神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)的局部場電位和動(dòng)作電位信號。
-
低噪聲信號有助于從實(shí)驗(yàn)中提取神經(jīng)元活動(dòng)特征。
-
可以捕獲和分析在大腦區(qū)域間傳播的局部場電位信號。
大規(guī)模神經(jīng)元及突觸投射的電生理成像
神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢恍盘柕姆诸惤M織切片固定裝置提取并分析腦組織中每個(gè)活動(dòng)神經(jīng)元的動(dòng)作場電位，軸突投射和突觸后信號。MaxOne不但可以檢測腦切片中的神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢恍盘枺瑫r(shí)還可以通過電刺激激發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)。
-
讀取并提取腦切片具有神經(jīng)元活性的區(qū)域，并繪制神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢恍盘柣顒?dòng)成像圖。
-
可以通過記錄并分析由動(dòng)作電位信號激發(fā)后形成的+/- 波幅峰值對神經(jīng)元突觸后細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行描繪。
心肌細(xì)胞研究
使用高分辨率功能量化分析藥物對心肌細(xì)胞的影響。
-
找到細(xì)胞群生物電波的傳播原點(diǎn)，并測量波的傳播方向。
-
可通過記錄前所未有的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，在數(shù)天內(nèi)連續(xù)檢測野生型心肌細(xì)胞活動(dòng)特征。
-
檢測健康心肌細(xì)胞對藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)的短期和長期反應(yīng)。
眾多出版物刊登該項(xiàng)技術(shù)
在Nature，Neuron等頂級學(xué)術(shù)期刊多次刊登過利用該項(xiàng)技術(shù)攥寫的實(shí)驗(yàn)文章
出版物涉及 hd-mea 技術(shù)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)記錄以及對心肌細(xì)胞、視網(wǎng)膜細(xì)胞、腦切片和神經(jīng)元的研究。
MaxWell 細(xì)胞生物電信號功能成像系統(tǒng) 使用的 Cmos 技術(shù)可顯著減小放大器的尺寸, 使得在同一芯片上將電路與每平方毫米數(shù)千個(gè)電極集成在一起成為可能，讓細(xì)胞 (甚至亞細(xì)胞) 級分辨率實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。這將大大提高電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的可操作性，讓原本程序繁雜的操作得到簡化，成倍地提高研究人員的實(shí)驗(yàn)效率。
