$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Potencjał MOA został tutaj zweryfikowany zarówno do rejestracji aktywności elektrycznej, jak i monitorowania aktywności metabolicznej. Dokładna ocena zdolności urządzenia do wykrywania zewnątrzkomórkowych potencjałów czynnościowych opierała się na dokładnej charakterystyce kultur kardiomiocytów szczurów (szczególnie w pierwotnych kardiomiocytach szczurów mierzonych po 8 dniach in vitro [DIV])18. Rysunek 3A pokazuje kompletny MOA z 16 OCMFETami. Górna wstawka przedstawia przykład zlewającej się hodowli kardiomiocytów szczura przylegającej do powierzchni MOA. Aby podkreślić ich zdrowie, komórki zostały wybarwione immunologicznie pod kątem białka sarkomerycznego, tropomiozyny, po sesji nagraniowej. Dolna wstawka pokazuje pojedynczy sygnał kardiomiocytów mierzony za pomocą OCMFET.
Interesujące, urządzenie mogło wykryć spontaniczną aktywność elektryczną oraz aktywność wywołaną po podaniu różnych substancji chemicznych, jak pokazano na Rysunek 3B. Walidacja ta miała kluczowe znaczenie dla wykazania wykonalności zastosowania tego podejścia do łączenia ogniw elektrogenicznych. Ze względu na konfigurację matrycy, MOA pozwolił również na rekonstrukcję prędkości propagacji sygnału sercowego, demonstrując w ten sposób przydatność systemu do badania sieci komórkowych (Rysunek 3C). W celu dalszej walidacji w celu określenia rzeczywistej granicy wykrywalności urządzenia, MOA został również przetestowany z neuronami prążkowia (21 DIV)18, uzyskując interesujące wyniki pod względem amplitudy sygnału i wiarygodności nagrań. Jak widać na Rysunek 3D, OCMFET może wzmacniać potencjały pola neuronalnego z niezwykłą stabilnością, wykazując stosunek sygnału do szumu (SNRS) do 3,2 (w tym samym zakresie, co SNR uzyskane za pomocą standardowych MEAs25). Konfiguracja nagrywania składała się z niestandardowej wielokanałowej elektroniki do polaryzacji tranzystora oraz odczytu i kondycjonowania sygnału. Każdy kanał do zapisu elektrycznego ma pierwszy stopień składający się z przetwornika I/V z rezystorem sprzężenia zwrotnego 1 MΩ i filtrem pasmowo-przepustowym 150 Hz-1,3 kHz o wzmocnieniu napięciowym 110. Dla wszystkich prezentowanych pomiarów tranzystory były polaryzowane z VDS = VGS = -1 V. Konwersja A/D oraz wizualizacja i zapis danych zostały przeprowadzone za pomocą karty akwizycji danych (patrz Tabela Materiałów). Wszystkie sesje pomiarowe zostały przeprowadzone w klatce Faradaya, aby zminimalizować hałas elektryczny i środowiskowy w systemie.
Jak wcześniej wspomniano, wykorzystując prostą fizyczną funkcjonalność przedstawioną w protokole, możliwe było przygotowanie bardzo czułych czujników pH z supernernstiańską reakcją. Ze względu na przedstawione podejście do produkcji, te urządzenia pH mogą być zintegrowane z MOA i używane do monitorowania niewielkich zmian pH indukowanych przez aktywność metaboliczną pierwotnych neuronów hipokampa szczura26. W szczególności, jak pokazano na Rysunek 4, tylko jeden z dwóch OCMFET dedykowanych do wykrywania niskich częstotliwości został selektywnie funkcjonalizowany, aby zademonstrować wykonalność tego podejścia. Ta selektywna funkcjonalizacja pozwoliła na ocenę odpowiedzi dwóch OCMFET na chemicznie indukowane zmiany metaboliczne: w szczególności wysoki stan metaboliczny można uzyskać przy użyciu bicukuliny (BIC), inhibitora receptorów GABA A27, podczas gdy niski stan metaboliczny może być wywołany przez dodanie tetrodotoksyny (TTX), która ostatecznie powoduje śmierć komórkową28. Konfiguracja nagrywania składała się z tej samej niestandardowej wielokanałowej elektroniki, która była używana do elektronicznych pomiarów aktywności.
W przeciwieństwie do poprzedniego przypadku, dwa dedykowane kanały zostały użyte do rejestrowania powolnych zmian wywołanych przez komórkową aktywność metaboliczną. Każdy kanał składał się z prostego obwodu złożonego z dwóch głównych bloków: przetwornicy I/V z rezystorem sprzężenia zwrotnego 1 MΩ i filtrem dolnoprzepustowym o częstotliwości odcięcia 10 Hz. Tranzystory były spolaryzowane z VDS = VGS = -1 V, a wszystkie pomiary zostały przeprowadzone wewnątrz klatki Faradaya, aby zminimalizować wpływ szumów zewnętrznych na nagrania (jest to szczególnie ważny aspekt biorąc pod uwagę niskie wahania prądu indukowane komórkową aktywnością metaboliczną). Podczas eksperymentów kultury utrzymywano w pożywce hodowlanej o niskim buforze, a cały system umieszczono w kontrolowanym środowisku (37 °C i ciągły strumień CO2 / powietrze). Zgodnie z oczekiwaniami, tylko prąd wrażliwego na pH OCMFET mógł być modulowany przez dodanie 25 μM BIC. Zostało to dodatkowo potwierdzone przez indukcję obecnej zmienności przez odpowiadającą jej zmianę komórkowej aktywności metabolicznej.
Ten sam eksperyment został powtórzony po dodaniu 10 μM TTX, co spowodowało stopniowe spowolnienie metabolizmu komórkowego. Po dodaniu TTX ani OCMFET wrażliwy na pH, ani niewrażliwy na pH nie wykazały żadnej odpowiedzi, co dowodzi skuteczności tego podejścia. Wyniki te wskazują na skuteczność proponowanej funkcjonalizacji i jej względną stabilność do 2 tygodni. Ważnym wnioskiem, który można wyciągnąć z proponowanych eksperymentów (zarówno aktywności elektrycznej, jak i aktywności metabolicznej) jest to, że możliwe jest przygotowanie różnych rodzajów czujników poprzez selektywną funkcjonalizację różnych OCMFET w tym samym obszarze hodowli. Ten aspekt stanowi nietrywialne osiągnięcie w dziedzinie biodetekcji do zastosowań komórkowych, ponieważ możliwość monitorowania różnych parametrów w tej samej hodowli komórkowej ma kluczowe znaczenie dla lepszego scharakteryzowania złożoności tych systemów biologicznych.

Rysunek 1: Widok z góry na 16-kanałowy MOA do metabolicznego i elektrycznego monitorowania komórek elektroaktywnych. Podziałka = 1 cm. Skróty: OCMFET = organiczne tranzystory polowe z modulacją ładunku; FG = brama pływająca; S/D = źródło/odpływ; MOA = mikro tablica OCMFET. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Główne etapy produkcji MOA do metabolicznego i elektrycznego monitorowania komórek elektroaktywnych. (A i B) Odparowana folia Ti jest modelowana przy użyciu standardowego procesu fotolitograficznego w celu przygotowania pływającej bramki OCMFET. C) Depozycja 15 nm parylenu C. Warstwa ta, wraz z natywnym tlenkiem Ti, działa jak dielektryk bramki tranzystorów. (D i E) Warstwa Parylenu C jest wzorowana za pomocą plazmowej obróbki tlenowej. Wzorzysta warstwa fotorezystu służy do selektywnego naświetlania obszarów detekcji nagrań elektrycznych i styków zwrotnych bramki pływającej. (F) Wzór górnych styków Au, a mianowicie źródła, drenu, bramki sterującej i styku zwrotnego bramki pływającej. Technika samonastawności służy do poprawy wydajności elektrycznej urządzenia. (G-I) Osadzanie drugiej warstwy parylenu C na obszarze wykrywania OCMFET w celu monitorowania aktywności metabolicznej. Po ekspozycji na plazmę tlenową warstwa ta będzie działać jak membrana wrażliwa na pH (J). (K) Przekrój poprzeczny kompletnego MOA (z materiałami) po osadzeniu półprzewodnika organicznego (TIPS Pentacene) i ustawieniu komory hodowlanej. Skróty: OCMFET = organiczne tranzystory polowe z modulacją ładunku; FG = brama pływająca; S/D = źródło/odpływ; MOA = mikro tablica OCMFET; CG = bramka sterująca; PET = politereftalan etylenu; Par C = Parylen C; KOŃCÓWKI = pentacen 6,13-bis(triizopropylosilyloetynylu); ABS = akrylonitryl-butadien-styren. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Zapisy aktywności elektrycznej komórek za pomocą MOA. (A) Zlewająca się hodowla kardiomiocytów szczurów (8 DIV) przylegających do powierzchni MOA, utrwalona po sesji nagraniowej i immunologicznie wybarwiona dla białka sarkomerycznego, tropomiozyny (górna wstawka). Dolna wstawka: przykład pojedynczego sygnału kardiomiocytów mierzonego za pomocą OCMFET. Podziałka = 150 μm. (B) Chemiczne dostrojenie aktywności elektrycznej kultury kardiomiocytów. Przyspieszenie aktywności wynikało z dodania 100 mM noradrenaliny, natomiast supresja wynikała z dodania 100 mM werapamilu. Po lewej: modulacja częstotliwości dudnienia; po prawej: statystyki dotyczące 5 OCMFET - średnia i odchylenie standardowe: liczba skoków w ciągu 4 minut aktywności podstawowej (129 ± 4,6), noradrenaliny (280 ± 28,6) i werapamilu (15 ± 1,9). (C) Rekonstrukcja propagacji sygnału sercowego. Po prawej: wykres rastrowy spontanicznej aktywności kultury wskazujący na propagację sygnału ze stanowiska 14 do stanowiska 41 (po prawej). (D) Potencjały czynnościowe komórek prążkowia z zarodka szczura (21 DIV). Ten rysunek został zmodyfikowany z 18. Skróty: OCMFET = organiczny tranzystor polowy z modulacją ładunku; MOA = mikro tablica OCMFET; NE = noradrenalina; VER = werapamil; DIV = dni in vitro. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Zapisy aktywności metabolicznej z MOA. Reakcja kanałów MOA wrażliwych na pH (A) i niewrażliwych na pH (B) niewrażliwych na pH na dodanie 25 μM BIC przed i po dodaniu 10 μM TTX. Po dodaniu TTX zachowanie kanału wrażliwego na pH staje się podobne do kanału niewrażliwego na pH. W szczególności nie można zaobserwować żadnej bieżącej zmienności po dodaniu BIC z powodu śmierci komórkowej wywołanej przez TTX. (C) MOA do rejestracji aktywności metabolicznej. Tranzystory OCMFET wrażliwe i niewrażliwe na pH są zaznaczone odpowiednio na zielono i czerwono. Wstawka: zdrowe neurony hipokampa wyhodowane na urządzeniu po 15 DIV. Pasek skali = 50 μm. Ten rysunek został zmodyfikowany z 26. Skróty: OCMFET = organiczny tranzystor polowy z modulacją ładunku; MOA = mikro tablica OCMFET; BIC = bicuculline; TTX = tetrodotoksyna; DIV = dni in vitro. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.