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細(xì)胞電刺激生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

細(xì)胞電刺激生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

創(chuàng)傷性腦損傷體外模型

創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）是由大腦的快速變形引起的，導(dǎo)致一連串的病理事件，蕞終導(dǎo)致神經(jīng)變性。

了解大腦變形的生物力學(xué)如何導(dǎo)致組織損傷仍然是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)TBI創(chuàng)傷性腦損傷體外模型，利用可拉伸微電極陣列SMEA膜上的海馬切片培養(yǎng)物，以及創(chuàng)傷性腦損傷體外模擬系統(tǒng)裝置，通過(guò)拉伸硅基質(zhì)產(chǎn)生組織變形。我們的損傷裝置通過(guò)反饋控制拉伸的生物力學(xué)參數(shù)，從而產(chǎn)生可重復(fù)的、等軸的變形刺激。1器1官型培養(yǎng)物在變形過(guò)程中仍然很好地粘附在膜上，因此在X軸和Y軸上，組織應(yīng)變分別為膜應(yīng)變的93%和86%。損傷后的細(xì)胞損傷與應(yīng)變呈正相關(guān)。

總之，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)獨(dú)1特的創(chuàng)傷性腦損傷體外模型來(lái)研究復(fù)雜的細(xì)胞環(huán)境中機(jī)械刺激的影響，模仿體內(nèi)環(huán)境。

我們相信這個(gè)模型可以成為研究TBI急性期的有力工具，細(xì)胞電生理，誘導(dǎo)的細(xì)胞變性可以為開(kāi)發(fā)潛在的治1療方法提供一個(gè)良好的平臺(tái)，并可能成為TBI動(dòng)物模型的一個(gè)有用的體外替代品。

可拉伸微電極陣列

可拉伸微電極陣列（SMEA）是一種用于記錄和電刺激急性腦切片中神經(jīng)活動(dòng)的密集微1針陣列，是高密度微1針陣列的設(shè)計(jì)、微細(xì)加工、電氣特性和生物評(píng)估?？衫煳㈦姌O陣列可同時(shí)記錄和電刺激急性腦組織切片中的單個(gè)神經(jīng)元。

急性切片可以說(shuō)是蕞接近大腦的體外模型，它有一個(gè)受損的表面層。由于電生理記錄方法在很大程度上依賴于電極-細(xì)胞的接近性，這一層明顯地削弱了信號(hào)的振幅，使得傳統(tǒng)的平面電極不適合使用。為了繞過(guò)組織表面滲透到組織中，細(xì)胞電生理機(jī)械力刺激聯(lián)用系統(tǒng)，并記錄和刺激切片內(nèi)部健康體積的神經(jīng)活動(dòng)，我們研究開(kāi)發(fā)了可拉伸微電極陣列。

可拉伸微電極陣列被證明可以記錄急性皮層切片中單個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞外動(dòng)作電位，信噪比高達(dá)0000000。對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的電刺激是以0000000的刺激閾值實(shí)現(xiàn)的。

該可拉伸微電極陣的創(chuàng)新之處在于結(jié)合了緊密的針距（60微米）、高達(dá)250微米的針高和?。?-10微米直徑）的電極，允許記錄單體活動(dòng)。該陣列與特定系統(tǒng)相結(jié)合，形成一個(gè)強(qiáng)大的電生理工具，允許與急性腦片中的神經(jīng)元群體進(jìn)行雙向的電極-細(xì)胞交流。

體外神經(jīng)電活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在具有機(jī)械活性的生物組織中連接電子器件和記錄電生理活動(dòng)是一項(xiàng)非常困難的挑戰(zhàn)。

這種挑戰(zhàn)延伸到記錄腦組織在創(chuàng)傷性腦損傷（TBI）情況下的神經(jīng)功能，創(chuàng)傷性腦損傷是由快速（數(shù)百毫秒內(nèi)）和大（大于5%的應(yīng)變）的大腦變形引起的。連接電極必須在多個(gè)層面上具有生物相容性，并應(yīng)與組織一起變形以防止額外的機(jī)械損傷。

我們的體外神經(jīng)電活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有一種彈性可拉伸的微電極陣列（SMEA），它能夠經(jīng)受大的、雙軸的、二維的拉伸而保持功能。

新的SMEA由硅膜上的可彈性拉伸的薄金屬膜組成。它可以在大的雙軸變形之前、期間和之后刺激和檢測(cè)來(lái)自培養(yǎng)的腦組織（海馬片）的電活動(dòng)。

我們已經(jīng)將SMEA納入了一個(gè)特性良好的體外TBI研究平臺(tái)——體外神經(jīng)電活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該平臺(tái)通過(guò)拉伸SMEA和粘附的腦片培養(yǎng)，再現(xiàn)了TBI的生物力學(xué)特性。

機(jī)械損傷參數(shù)，細(xì)胞電生理特性機(jī)械刺激加載系統(tǒng)，如應(yīng)變和應(yīng)變率，可以被精1確控制以產(chǎn)生特定水平的損傷。

SMEA允許在損傷前后對(duì)神經(jīng)元功能進(jìn)行量化，而不需要打破培養(yǎng)的無(wú)菌性或?yàn)閾p傷事件重新定位電極，因此可以進(jìn)行連續(xù)和長(zhǎng)期的測(cè)量。

我們報(bào)告了SMEA的測(cè)試以及研究機(jī)械刺激對(duì)神經(jīng)元功能影響的初步應(yīng)用，它可以作為一個(gè)高含量的、用于TBI的藥1物篩查平臺(tái)。