Potencjał MOA został tutaj zweryfikowany zarówno pod kątem rejestracji aktywności elektrycznej, jak i monitorowania aktywności metabolicznej. Precyzyjna ocena zdolności urządzenia do wykrywania zewnątrzkomórkowych potencjałów czynnościowych opierała się na szczegółowej charakterystyce z wykorzystaniem kultur kardiomiocytów szczura (w szczególności pierwotnych kardiomiocytów szczura mierzonych w 8 dniu in vitro [DIV])18. Rysunek 3A przedstawia kompletny MOA z 16 OCMFET. Górny wstawka pokazuje przykład konfluentnej kultury kardiomiocytów szczura przylegającej do powierzchni MOA. Aby podkreślić ich żywotność, komórki zostały poddane immunobarwieniu na białko sarkomerowe, tropomiozynę, po zakończeniu sesji rejestracyjnej. Dolna wstawka przedstawia sygnał z pojedynczego kardiomiocytu zmierzony za pomocą OCMFET.
Co ciekawe, urządzenie było w stanie wykryć spontaniczną aktywność elektryczną oraz aktywność indukowaną po podaniu różnych substancji chemicznych, co przedstawiono na Rysunku 3B. Walidacja ta była kluczowa dla wykazania możliwości zastosowania tego podejścia do interfejsowania z komórkami elektrogennymi. Dzięki konfiguracji macierzy, MOA umożliwiło również rekonstrukcję prędkości propagacji sygnału kardiologicznego, co potwierdziło przydatność systemu do badania sieci komórkowych (Rysunek 3C). W celu dalszej walidacji i określenia rzeczywistego limitu detekcji urządzenia, MOA przetestowano również z neuronami prążkowia (21 DIV)18, uzyskując interesujące wyniki w zakresie amplitudy sygnału i niezawodności pomiarów. Jak widać na Rysunku 3D, OCMFET mógł wzmacniać potencjały polowe neuronów z niezwykłą stabilnością, wykazując stosunki sygnału do szumu (SNRS) do 3,2 (w tym samym zakresie, co SNRs uzyskane przy użyciu standardowych MEA25). Układ rejestrujący składał się z niestandardowej elektroniki wielokanałowej do polaryzacji tranzystorów oraz odczytu i kondycjonowania sygnału. Każdy kanał rejestracji elektrycznej posiada pierwszy stopień składający się z przetwornika I/V z rezystorem sprzężenia zwrotnego 1 MΩ oraz filtra pasmowo-przepustowego 150 Hz-1,3 kHz ze wzmocnieniem napięciowym 110. Dla wszystkich przedstawionych pomiarów tranzystory były polaryzowane przy VDS = VGS = -1 V. Konwersja A/D oraz wizualizacja i przechowywanie danych zostały przeprowadzone przy użyciu karty akwizycji danych (patrz Tabela Materiałów). Wszystkie sesje pomiarowe przeprowadzono w klatce Faradaya, aby zminimalizować elektryczny szum środowiskowy wpływający na system.
Jak wspomniano wcześniej, dzięki wykorzystaniu prostej funkcjonalizacji fizycznej przedstawionej w protokole, możliwe było przygotowanie wysoce czułych czujników pH o odpowiedzi supernernstowskiej. Ze względu na zaprezentowaną metodę wykonania, urządzenia te do pomiaru pH mogły zostać zintegrowane w układzie MOA i wykorzystane do monitorowania niewielkich zmian pH indukowanych aktywnością metaboliczną pierwotnych neuronów hipokampa szczura26. W szczególności, jak pokazano na Rysunku 4, w celu zademonstrowania wykonalności tej metody, selektywnie funkcjonalizowano tylko jeden z dwóch tranzystorów OCMFET przeznaczonych do detekcji niskich częstotliwości. Ta selektywna funkcjonalizacja pozwoliła na ocenę odpowiedzi obu tranzystorów OCMFET na chemicznie indukowane zmiany metaboliczne: w szczególności, wysoki stan metaboliczny można uzyskać przy użyciu bikukuliny (BIC), inhibitora receptorów GABA A27, natomiast niski stan metaboliczny można wywołać poprzez dodanie tetrodotoksyny (TTX), która ostatecznie prowadzi do śmierci komórkowej28. Układ rejestrujący składał się z tej samej specjalistycznej elektroniki wielokanałowej, która była używana do pomiarów aktywności elektrycznej.
W przeciwieństwie do poprzedniego przypadku, do rejestracji wolnych zmian indukowanych aktywnością metaboliczną komórek wykorzystano dwa dedykowane kanały. Każdy kanał składał się z prostego obwodu zbudowanego z dwóch głównych bloków: przetwornika I/V z rezystorem sprzężenia zwrotnego 1 MΩ oraz filtru dolnoprzepustowego o częstotliwości odcięcia 10 Hz. Tranzystory spolaryzowano napięciami VDS = VGS = -1 V, a wszystkie pomiary przeprowadzono wewnątrz klatki Faradaya, aby zminimalizować wpływ zewnętrznych szumów na zapisy (jest to szczególnie istotny aspekt, biorąc pod uwagę niskie fluktuacje prądu indukowane aktywnością metaboliczną komórek). Podczas eksperymentów hodowle utrzymywano w słabo buforowanym medium hodowlanym, a cały układ umieszczono w kontrolowanym środowisku (37 °C i ciągły przepływ CO2/powietrza). Zgodnie z oczekiwaniami, tylko prąd pH-czułego OCMFET mógł być modulowany poprzez dodanie 25 µM BIC. Potwierdzono to ponadto poprzez wywołanie zmiany prądu za pomocą odpowiadającej jej zmiany aktywności metabolicznej komórek.
Ten sam eksperyment powtórzono po dodaniu 10 µM TTX, co doprowadziło do stopniowego spowolnienia metabolizmu komórkowego. Po dodaniu TTX ani OCMFET wrażliwy na pH, ani ten niewrażliwy na pH nie wykazały żadnej reakcji, co potwierdziło skuteczność zastosowanego podejścia. Wyniki te demonstrują efektywność proponowanej funkcjonalizacji oraz jej względną stabilność przez okres do 2 tygodni. Istotnym wnioskiem, jaki można wyciągnąć z przeprowadzonych eksperymentów (zarówno w zakresie aktywności elektrycznej, jak i metabolicznej), jest możliwość przygotowania różnych rodzajów sensorów poprzez selektywną funkcjonalizację poszczególnych OCMFET w obrębie tego samego obszaru hodowli. Aspekt ten stanowi nieoczywiste osiągnięcie w biosensoryce dla zastosowań komórkowych, ponieważ możliwość monitorowania różnych parametrów w obrębie tej samej kultury komórkowej jest kluczowa dla lepszej charakterystyki złożoności tych systemów biologicznych.

Rycina 1: Widok z góry 16-kanałowej matrycy MOA do monitorowania metabolicznego i elektrycznego komórek elektroaktywnych. Pasek skali = 1 cm. Skróty: OCMFETs = organiczne tranzystory polowe z modulacją ładunku; FG = bramka pływająca; S/D = źródło/dren; MOA = mikrostrukturalna matryca OCMFET. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2: Główne etapy wytwarzania MOA do monitorowania metabolicznego i elektrycznego komórek elektroaktywnych. (A i B) Odparowana warstwa Ti jest wzorowana za pomocą standardowego procesu fotolitograficznego w celu przygotowania bramki pływającej tranzystorów OCMFET. (C) Osadzanie 15 nm Parylenu C. Warstwa ta, wraz z natywnym tlenkiem Ti, pełni rolę dielektryka bramki tranzystorów. (D i E) Warstwa Parylenu C jest wzorowana przy użyciu obróbki plazmą tlenową. Wzorowana warstwa fotorezystu jest wykorzystywana do selektywnego odsłonięcia obszarów czujnych dla pomiarów elektrycznych oraz tylnych kontaktów bramki pływającej. (F) Wzorowanie górnych kontaktów Au, mianowicie źródła, drenu, bramki sterującej i tylnego kontaktu bramki pływającej. W celu poprawy parametrów elektrycznych urządzenia zastosowano technikę samowyrównania. (G-I) Osadzanie drugiej warstwy Parylenu C na obszarze czujnym tranzystorów OCMFET do monitorowania aktywności metabolicznej. Po ekspozycji na plazmę tlenową warstwa ta będzie pełnić funkcję membrany wrażliwej na pH (J). (K) Przekrój poprzeczny kompletnego MOA (z materiałami) po osadzeniu organicznego półprzewodnika (TIPS Pentacene) i ustawieniu komory hodowlanej. Skróty: OCMFETs = organiczne tranzystory polowe z modulacją ładunku; FG = bramka pływająca; S/D = źródło/dren; MOA = mikrotablica OCMFET; CG = bramka sterująca; PET = politereftalan etylenu; Par C = Parylen C; TIPS = 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene; ABS = akrylonitryllybutadienostyren. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Rejestracja aktywności elektrycznej komórek za pomocą MOA. (A) Konfluentna hodowla kardiomiocytów szczura (8 DIV) przylegająca do powierzchni MOA, utrwalona po sesji pomiarowej i poddana immunobarwieniu na białko sarkomerowe, tropomiozynę (lewy górny wstawka). Dolna wstawka: przykład sygnału z pojedynczego kardiomiocytu zmierzonego za pomocą OCMFET. Pasek skali = 150 µm. (B) Chemiczna regulacja aktywności elektrycznej hodowli kardiomiocytów. Przyspieszenie aktywności było wynikiem dodania 100 mM norepinefryny, natomiast supresja wynikała z dodania 100 mM verapamilu. Po lewej: modulacja częstotliwości skurczów; po prawej: statystyki z 5 OCMFET – średnia i odchylenie standardowe: liczba impulsów w ciągu 4 min aktywności podstawowej (129 ± 4.6), indukowanej norepinefryną (280 ± 28.6) oraz indukowanej verapamilem (15 ± 1.9). (C) Rekonstrukcja propagacji sygnału kardiologicznego. Po prawej: wykres rastrowy spontanicznej aktywności hodowli wskazujący na propagację sygnału z miejsca 14 do miejsca 41 (po prawej). (D) Potencjały czynnościowe komórek prążkowiowych z zarodka szczura (21 DIV). Rysunek zmodyfikowany na podstawie 18. Skróty: OCMFET = organic charge-modulated field-effect transistor; MOA = micro OCMFET array; NE = norepinefryna; VER = verapamil; DIV = dni in vitro. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4: Rejestracja aktywności metabolicznej za pomocą MOA. Odpowiedź kanałów (A) wrażliwych na pH i (B) niewrażliwych na pH w obrębie MOA na dodanie 25 µM BIC przed i po dodaniu 10 µM TTX. Po dodaniu TTX zachowanie kanału wrażliwego na pH staje się zbliżone do zachowania kanału niewrażliwego na pH. W szczególności nie obserwuje się zmian natężenia prądu po dodaniu BIC z powodu śmierci komórek wywołanej przez TTX. (C) MOA do rejestracji aktywności metabolicznej. OCMFET-y wrażliwe na pH i niewrażliwe na pH są obramowane odpowiednio kolorem zielonym i czerwonym. Wstawka: zdrowe neurony hipokampa hodowane na urządzeniu po 15 DIV. Pasek skali = 50 µm. Rycina została zmodyfikowana na podstawie 26. Skróty: OCMFET = organiczny tranzystor polowego z modyfikacją ładunku; MOA = macierz mikro-OCMFET; BIC = bikukulina; TTX = tetrodotoksyna; DIV = dni in vitro. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.