Maestro MEA——開創(chuàng)細(xì)胞電活動研究新篇章

產(chǎn)品背景：

在生命科學(xué)領(lǐng)域，對細(xì)胞電生理活動的研究至關(guān)重要。細(xì)胞的電活動是生命活動的基本表現(xiàn)之一，它涉及到神經(jīng)信號傳遞、心臟節(jié)律控制、肌肉收縮等諸多關(guān)鍵生理過程。然而一直以來想要對它們的功能進(jìn)行評估卻是個難題。傳統(tǒng)的電生理科研工具通量低，操作既繁復(fù)難度較高，僅針對于單個細(xì)胞電生理研究。就此而言，胞外記錄宏觀水平電信號的MEA（多電極陣列）技術(shù)，不但操作相較更為簡便，可實現(xiàn)高通量對群體細(xì)胞的協(xié)同電活動進(jìn)行檢測，而且更能反映細(xì)胞在體內(nèi)的真實電生理活動，是深入研究細(xì)胞間的相互作用和復(fù)雜的電生理現(xiàn)象的理想工具。

Axion創(chuàng)新推出Maestro高通量MEA系統(tǒng)，將多達(dá)728個微小電極組成的精密陣列與多孔板結(jié)合，使其能夠同時對多個位點的細(xì)胞電生理活動進(jìn)行高分辨率的記錄，同時高通量、長期監(jiān)控并分析活細(xì)胞的網(wǎng)絡(luò)電活動功能。在神經(jīng)和心臟疾病相關(guān)的基因  藥物研發(fā)，以及臨床前安全評估領(lǐng)域，得到了極為廣泛的應(yīng)用。

多孔MEA系統(tǒng)

Maestro 擁有整合式細(xì)胞生理環(huán)境控制倉，并載有信噪比超1000的核心芯片BioCoreV6，獲得的數(shù)據(jù)真實可靠。硬件平臺結(jié)合下一代數(shù)據(jù)采集和分析軟件Ax1S，Maestro呈現(xiàn)給您完整的可興奮性細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)特征分析平臺。

產(chǎn)品優(yōu)勢特征：

1. 無標(biāo)記、非侵入的實時細(xì)胞外微電壓測試技術(shù)，保持細(xì)胞的原始生理狀態(tài)。

2. 多達(dá) 768 個超高密度微電極陣列與至多 96 孔板實驗通量相結(jié)合，可對電生理活動進(jìn)行高分辨率高通量的記錄。

3. 任意電極可進(jìn)行電刺激，且板內(nèi)所有電極均可同時記錄或進(jìn)行電刺激。

4. 多型 MEA 板可選 (6/24/48/96 孔板)，孔底透明，方便開展光學(xué)觀察，滿足了不同實驗規(guī)模的需求。

5. 集成細(xì)胞培養(yǎng)室（可控溫控氣體），提供穩(wěn)定的實驗環(huán)境，獲取更準(zhǔn)確結(jié)果。

6. 特殊設(shè)計的Lumos MEA板及控制單元，實現(xiàn)  體外光遺傳學(xué)控制。

l 體外生物樣本光遺傳控制系統(tǒng)。

l Lumos24/48/96，三種型號滿足不同通量實驗設(shè)計需求。

l 可同時進(jìn)行光強(qiáng)和光照時長(低至100ms)的控制。

l 可自行設(shè)定多至四種不同波長光遺傳通道。

7. 強(qiáng)大而易用的分析軟件

l實時可視電活動熱圖，隨時觀測整板細(xì)胞動作電位的反饋。

l 軟件控制CO2、溫度及單/多電極電刺激方案。

l 包含多種數(shù)據(jù)分析軟件，進(jìn)行100多個指標(biāo)的特定應(yīng)用自動化計算。

l 軟件界面直觀易懂，實驗設(shè)計迅速靈活。

應(yīng)用方向及功能：

神經(jīng)應(yīng)用方向：神經(jīng)、神經(jīng)類器官、神經(jīng)毒理、肌肉、視網(wǎng)膜

從三個層面了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能

神經(jīng)細(xì)胞(橙色)經(jīng)培養(yǎng)覆蓋于固定在多孔板底的電極(灰色)上，這樣細(xì)胞群落的電活動就能被捕獲到。

1. 電活動：通過檢測動作電位的發(fā)放頻率來反映神經(jīng)元的功能。

2. 突觸聯(lián)接：神經(jīng)元間突觸建立帶來的放電同步性，毫秒畢現(xiàn)。

3. 網(wǎng)絡(luò)功能：其重要標(biāo)志是細(xì)胞興奮性差異導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)放電震蕩。

心臟應(yīng)用方向：心臟基礎(chǔ)研究、心臟類器官、心臟毒理、神經(jīng)對心臟的調(diào)控、心臟藥物篩選與開發(fā)

實時記錄心肌細(xì)胞電活動

一次實驗，四項檢測

1. 場電位：檢測心肌活動的主要指標(biāo)，比如除極、復(fù)極、跳動時間和不規(guī)律跳動。

2. 動作電位：無標(biāo)記無損技術(shù)，進(jìn)行其波形定量計算（ADP30/50/90、三角化等），并判斷復(fù)雜不規(guī)則復(fù)極（如EAD）。 

3. 跳動傳播：記錄傳播速率和模式，定量細(xì)胞間耦合及其在藥物和生理作用下的相應(yīng)變化。 

4. 心臟收縮：實時監(jiān)測收縮舒張動態(tài)變化，來反映振幅、時長、興奮-收縮偶聯(lián)等重要心跳相關(guān)參數(shù)。

應(yīng)用案例：

人多種神經(jīng)類器官/腦組織凍存新技術(shù)

實驗借助Maestro ME冷凍技術(shù)是否影響皮層類器官的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能（圖1D）。數(shù)據(jù)顯示，在對照組（未經(jīng)冷凍處理的類器官）和實驗組（MEDY處理過的類器官）中均能檢測到同步放電（圖1E-G）。并且實驗組的放電頻率（圖1H）、120s內(nèi)的電極活躍數(shù)量（圖1I）、網(wǎng)絡(luò)簇放電數(shù)量（圖1J）與對照組相比，均未有顯著差異。綜上所述，MEDY 冷凍保存技術(shù)并未影響腦類器官的神經(jīng)功能連接^[1]。

圖1. 利用MEA技術(shù)檢測皮層類器官的電生理功能

遞質(zhì)系統(tǒng)在心房肌細(xì)胞興奮中的功能鑒定

研究者構(gòu)建并誘導(dǎo)分化了GRIA3和GRIN1兩個基因敲低 (mRNA和蛋白表達(dá)量均降低50%以上)的人iPSC衍生心肌細(xì)胞 (iPSC-CMs)，并借助Maestro MEA系統(tǒng)檢測敲低組與對照組的電活動差異。目的是通過蛋白的低表達(dá)模擬拮抗劑作用，從而避免了在體和離體組織電生理實驗中可能存在的脫靶效應(yīng)。下圖 (圖2 f-i) 結(jié)果顯示敲低組樣本心率和電傳導(dǎo)速率均明顯低于對照組，反映出GRIA3和GRIN1的減少極大地降低了心房肌細(xì)胞的興奮易感性并減緩了場電位的傳播。

圖2. 對照組及GRIA3 和GRIN1敲低組iPSC-CMs電活動比較

f & g：三組樣本心率熱圖(f)和柱形圖(g) (Student’s t-test，n=5-7，*P< 0.05)

h & i：三組樣本傳導(dǎo)熱圖(h)和傳導(dǎo)速率柱形圖(i) (Student’s t-test，n=5-8，*P< 0.05)

參考文獻(xiàn)：

[1] Xue W, Li H, Xu J, Yu X, Liu L, Liu H, Zhao R, Shao Z. Effective cryopreservation of human brain tissue and neural organoids. Cell Rep Methods. 2024 May 20;4(5):100777. doi: 10.1016/j.crmeth.2024.100777. Epub 2024 May 13. PMID: 38744289; PMCID: PMC11133841.

[2] Xie D, Xiong K, Su X, Wang G, Ji Q, Zou Q, Wang L, Liu Y, Liang D, Xue J, Wang L, Gao X, Gu X, Liu H, He X, Li L, Yang J, Lu Y, Peng L, Chen YH. Identification of an endogenous glutamatergic transmitter system controlling excitability and conductivity of atrial cardiomyocytes. Cell Res. 2021 Sep;31(9):951-964. doi: 10.1038/s41422-021-00499-5. Epub 2021 Apr 6. PMID: 33824424; PMCID: PMC8410866.