$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
MOA'nın potansiyeli burada hem elektriksel aktivite kayıtları hem de metabolik aktivite izleme için doğrulanmıştır. Cihazın hücre dışı eylem potansiyellerini tespit etme yeteneklerinin kesin tahmini, sıçan kardiyomiyosit kültürleri ile kapsamlı bir karakterizasyona dayanıyordu (özellikle 8 günlük in vitro [DIV])18 olarak ölçülen birincil sıçan kardiyomiyositlerinde). Şekil 3A , 16 OCMFET ile eksiksiz bir MOA göstermektedir. Üstteki inset, MOA yüzeyine bağlı bir konfluent sıçan kardiyomiyosit kültürü örneği gösterir. Sağlıklarını vurgulamak için, hücreler kayıt seansından sonra sarkolerik protein olan tropomyosin için immünostain edilmiştir. Alt içe doğru OCMFET ile ölçülen tek bir kardiyomiyosit sinyali gösterilir.
İlginçtir ki, cihaz şekil 3B'de gösterildiği gibi spontan elektriksel aktiviteyi ve farklı kimyasalların verilmesi üzerine indüklenen aktiviteyi tespit edebilir. Bu doğrulama, elektrojenik hücre interfacing için bu yaklaşımı kullanmanın fizibilitesini göstermek için çok önemliydi. Dizi yapılandırması nedeniyle, MOA ayrıca kardiyak sinyalin yayılma hızının yeniden yapılandırılmasına izin verdi ve böylece sistemin hücresel ağların çalışmasına uygunluğunu gösterdi (Şekil 3C). Cihazın gerçek algılama sınırını belirlemek için daha fazla doğrulama için MOA, sinyal genliği ve kayıtların güvenilirliği açısından ilginç sonuçlarla striatal nöronlar (21 DIV)18 ile de test edildi. Şekil 3D'de görüldüğü gibi, OCMFET nöronal alan potansiyellerini dikkat çekici stabilite ile güçlendirebilir ve 3,2'ye kadar sinyal-gürültü oranları (SNRS) gösterebilir (standart MEAs25 ile elde edilen SNR'lerin aynı aralığında). Kayıt kurulumu, transistör sapma ve sinyal okuma ve koşullandırma için özel çok kanallı elektronikten oluşuyordu. Elektrik kaydı için her kanal, 1 MΩ geri besleme direncine sahip bir I/V dönüştürücü ve 110 voltaj kazancına sahip 150 Hz-1.3 kHz bandpass filtreden oluşan bir ilk aşamaya sahiptir. Sunulan tüm ölçümler için transistörler VDS = VGS = -1 V ile önyargılıydı. A/D dönüştürme ve veri görselleştirme ve depolama bir veri toplama panosu kullanılarak gerçekleştirildi (bkz. Malzeme Tablosu). Tüm ölçüm seansları, sistemdeki elektriksel, çevresel gürültüyü en aza indirmek için bir Faraday kafesi içinde gerçekleştirildi.
Daha önce de belirtildiği gibi, protokolde sunulan basit fiziksel işlevselleştirmeden yararlanarak, süpernernstian bir yanıtla son derece hassas pH sensörleri hazırlamak mümkündü. Sunulan imalat yaklaşımı nedeniyle, bu pH cihazları bir MOA'ya entegre edilebilir ve birincil hipokampal sıçan nöronlarının metabolik aktivitesinin neden olduğu hafif pH varyasyonlarını izlemek için kullanılabilir26. Özellikle, Şekil 4'te gösterildiği gibi, düşük frekanslı algılamaya adanmış iki OCMFET'den sadece biri, yaklaşımın fizibilitesini göstermek için seçici olarak işlevselleştirildi. Bu seçici işlevselleştirme, iki OCMFET'nin kimyasal olarak indüklenen metabolik varyasyonlara yanıtının değerlendirilmesine izin verdi: özellikle, GABA A reseptörlerinin inhibitörü olan bikükülin (BIC) kullanılarak yüksek metabolik bir durum elde edilebilirken, sonunda hücresel ölüme neden olan tetrodotoksin (TTX) ilavesi ile düşük metabolik bir durum indüklenebilir28 . Kayıt kurulumu, elektronik etkinlik ölçümleri için kullanılan aynı özel çok kanallı elektronikten oluşuyordu.
Önceki vakanın aksine, hücresel metabolik aktivitenin neden olduğu yavaş varyasyonları kaydetmek için iki özel kanal kullanılmıştır. Her kanal iki ana bloktan oluşan basit bir devreden oluşuyordu: 1 MΩ geri besleme direncine sahip bir I/V dönüştürücü ve 10 Hz kesme frekanslı düşük geçişli bir filtre. Transistörler VDS = VGS = -1 V ile önyargılıydı ve tüm ölçümler, dış gürültünün kayıtlar üzerindeki etkisini en aza indirmek için bir Faraday kafesi içinde gerçekleştirildi (bu, hücresel metabolik aktivitenin neden olduğu düşük akım dalgalanmaları göz önüne alındığında özellikle önemli bir husustur). Deneyler sırasında kültürler düşük tamponlu bir kültür ortamında sürdürüldü ve tüm sistem kontrollü bir ortama (37 °C ve sürekli co2/hava akısı) yerleştirildi. Beklendiği gibi, sadece pH'a duyarlı OCMFET akımı 25 μM BIC ilave edilerek modüle edilebilir. Bu, hücresel metabolik aktivitenin karşılık gelen varyasyonu ile mevcut varyasyonun indüksiyonu ile daha da doğrulandı.
Aynı deney, hücresel metabolizmanın kademeli olarak yavaşlamasına neden olan 10 μM TTX'in eklenmesinden sonra tekrarlandı. TTX'in eklenmesinden sonra, ne pH'a duyarlı OCMFET ne de pH duyarsız olan herhangi bir yanıt göstermedi ve böylece yaklaşımın etkinliğini gösterdi. Bu sonuçlar, önerilen işlevselleştirmenin etkinliğini ve 2 haftaya kadar göreceli kararlılığını göstermektedir. Önerilen deneylerden (hem elektriksel aktivite hem de metabolik aktivite) çıkarılabilecek önemli bir sonuç, aynı kültleme alanında farklı OCMFET'leri seçici olarak işlevselleştirerek farklı sensör türlerini hazırlamanın mümkün olduğudur. Bu yön, hücresel uygulamalar için biyosensörlemede önemsiz olmayan bir başarıyı temsil eder, çünkü aynı hücre kültürü içindeki farklı parametreleri izleyebilmek, bu biyolojik sistemlerin karmaşıklığının daha iyi karakterizasyonu için çok önemlidir.

Şekil 1: Elektroaktif hücrelerin metabolik ve elektriksel izlenmesi için 16 kanallı bir MOA'nın üst görünümü. Ölçek çubuğu = 1 cm. Kısaltmalar: OCMFET'ler = organik yük modüle edilmiş alan etkili transistörler; FG = yüzen kapı; S/D = kaynak/drenaj; MOA = mikro OCMFET dizisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: Elektroaktif hücrelerin metabolik ve elektriksel izlenmesi için bir MOA'nın ana imalat adımları. (A ve B) Buharlaştırılmış Ti filmi, OCMFET'lerin yüzen kapısını hazırlamak için standart bir fotolitografik işlem kullanılarak desenlenir. (C) 15 nm Parylene C.'nin ifadesine istiraki. Bu tabaka, yerli Ti oksit ile birlikte transistörlerin kapı dielektrik görevi görür. (D ve E) Parylene C tabakası plazma oksijen tedavisi kullanılarak desenlenmiştir. Desenli bir fotoresist katman, elektrik kayıtları ve yüzen kapı arka kontakları için algılama alanlarını seçici olarak ortaya çıkarmak için kullanılır. (F) Au üst kontaklarının, yani kaynak, drenaj, kontrol kapısı ve yüzen kapı geri temasının deseni. Cihazın elektriksel performansını artırmak için kendi kendine hizalama tekniği kullanılır. (G-I) Parylene C'nin ikinci tabakasının metabolik aktivite izleme için OCMFET'lerin algılama alanında birikmesi. Oksijen plazmasına maruziyeti sonrasında bu tabaka pH'a duyarlı membran (J) görevi görecektir. (K) Organik yarı iletkenin (TIPS Pentacene) ve kültür odası konumlandırmasının birikmesinden sonra tam bir MOA'nın (malzemelerle) kesiti. Kısaltmalar: OCMFET'ler = organik yük modüle edilmiş alan etkili transistörler; FG = yüzen kapı; S/D = kaynak/drenaj; MOA = mikro OCMFET dizisi; CG = kontrol kapısı; PET = polietilen tereftalat; Par C = Parylene C; İpUÇLARI = 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl) pentacene; ABS = akrilonitrile bütandien stiren. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Moa ile hücresel elektriksel aktivite kayıtları. (A) Bir MOA yüzeyine bağlı kalan, bir kayıt seansından sonra sabitlenen ve sarkolerik protein, tromomiyosin (üst inset) için bağışıklık sistemine sahip bir sıçan kardiyomiyosit kültürü (8 DIV). Alt inset: OCMFET ile ölçülen tek bir kardiyomiyosit sinyali örneği. Ölçek çubuğu = 150 μm. (B) Kardiyomiyosit kültürünün elektriksel aktivitesinin kimyasal ayarı. Aktivite ivmesi 100 mM norepinefrin ilavesinden, baskılama ise 100 mM verapamil eklenmesinden kaynaklanan bir nedenden dırmıştır. Sol: dayak frekans modülasyonu; sağ: 5 OCMFET ortalaması ve standart sapma istatistikleri: bazal 4 dakika (129 ± 4.6), norepinefrin aracılı (280 ± 28.6) ve verapamil aracılı aktivite (15 ± 1.9) üzerinde spike-count. (C) Kardiyak sinyalin yayılmasının yeniden yapılandırılması. Sağ: sinyalin site 14'ten site 41'e yayılmasını gösteren kültürün spontan aktivitesinin raster arsası (sağda). (D) Sıçan embriyosundan striatal hücrelerin etki potansiyelleri (21 DIV). Bu rakam 18'den değiştirilmiştir. Kısaltmalar: OCMFET = organik yük modüle edilmiş alan etkili transistör; MOA = mikro OCMFET dizisi; NE = norepinefrin; VER = verapamil; DIV = gün içinde in vitro. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Moa ile metabolik aktivite kayıtları. Moa'nın (A) pH'a duyarlı ve (B) pH'a duyarsız kanallarının 10 μM TTX ilavesinden önce ve sonra 25 μM BIC eklenmesine yanıtı. TTX ilavesi sonrasında, pH'a duyarlı kanalın davranışı pH'a duyarlı olanınkine benzer hale gelir. Özellikle, TTX kaynaklı hücresel ölüm nedeniyle BIC ilavesi sonrasında akım varyasyonu gözlenememedir. (C) Metabolik aktivite kayıtları için MOA. pH'a duyarlı ve pH'a duyarsız OCMFET'ler sırasıyla yeşil ve kırmızı olarak özetlenmiştir. İç kısım: sağlıklı hipokampal nöronlar 15 DIV.Scale bar = 50 μm'den sonra cihaza kültüre edildi. Bu rakam 26'dan değiştirilmiştir. Kısaltmalar: OCMFET = organik yük modüle edilmiş alan etkili transistör; MOA = mikro OCMFET dizisi; BIC = bikükülin; TTX = tetrodotoksin; DIV = gün içinde in vitro. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.