由于其對生物分子和細(xì)胞的直接影響，電刺激(ES)現(xiàn)在被廣泛用于調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化和神經(jīng)刺激，甚至在臨床上用于止痛、治療神經(jīng)損傷和肌肉康復(fù)。傳統(tǒng)的ES主要在細(xì)胞群體上進(jìn)行研究，但癌細(xì)胞的異質(zhì)性導(dǎo)致無法獲得單個(gè)細(xì)胞對ES的反應(yīng)。因此，在單細(xì)胞水平上檢測ES后的細(xì)胞外pH變化(ΔpHe)對于ES在腫瘤治療中的應(yīng)用很重要。

大連理工大學(xué)吳碩和銀冰使用聚苯胺(PANI)修飾的金微電極陣列原位監(jiān)測周期性脈沖電刺激(IES)后的細(xì)胞ΔpHe。PANI傳感器在5.55-7.41的pH范圍內(nèi)具有良好的靈敏度(53.68 mV/pH)和線性相關(guān)系數(shù)(R2=0.99)。IES后，細(xì)胞表現(xiàn)出不同程度的ΔpHe，具有不同的時(shí)間間隔和刺激電位。較短的脈沖間隔和較高的刺激電位可以有效地增強(qiáng)刺激并增加細(xì)胞ΔpHe。在0.5 V電位刺激下，細(xì)胞ΔpHe隨著脈沖間隔的減小而增加。然而，如果脈沖間隔足夠長，即使在0.7 V的更高電位下，由于刺激強(qiáng)度不足，也不會產(chǎn)生顯著的額外ΔpHe?；谏鲜鼋Y(jié)論，制備的PANI微電極陣列(MEA)能夠刺激和檢測單個(gè)細(xì)胞，這有助于ES在腫瘤治療中的更深入應(yīng)用。相關(guān)工作以“Difunctional Microelectrode Arrays for Single-Cell Electrical Stimulation and pH Detection”為題發(fā)表在國際著名期刊Analytical Chemistry上。

研究要點(diǎn)

要點(diǎn)1.作者報(bào)道了一種聚苯胺(PANI)修飾的微電極陣列，用于原位電刺激和監(jiān)測單細(xì)胞ΔpHe。使用標(biāo)準(zhǔn)微納制造技術(shù)制備了能夠原位單細(xì)胞pHe信號記錄的集成96個(gè)微電極的MEA。

要點(diǎn)2.PANI作為pH敏感材料電化學(xué)沉積在傳感區(qū)域中。PANI不僅是一種生物相容性pH敏感材料，而且是一種降低微電極表面阻抗的優(yōu)秀電極修飾材料，有利于監(jiān)測細(xì)胞ΔpHe和實(shí)現(xiàn)ES。

要點(diǎn)3.PANI傳感器的平均靈敏度為53.68 mV/pH，在5.55-7.41的pH范圍內(nèi)具有良好的相關(guān)系數(shù)(R2=0.99)。在芯片上培養(yǎng)了HeLa細(xì)胞，用于監(jiān)測有無周期性脈沖電刺激(IES)的單細(xì)胞ΔpHe。細(xì)胞ΔpHe隨著刺激電位的增加和脈沖間隔的減小而顯著增加。這意味著ES的增強(qiáng)可以導(dǎo)致來自細(xì)胞的更強(qiáng)的pH響應(yīng)。

這項(xiàng)工作可以為監(jiān)測和刺激單細(xì)胞提供一個(gè)可行的方案。

研究圖文

圖1.（a）PANI MEA檢測細(xì)胞pHe的概念圖和傳感器。（b）Cr/Au MEAs(10×)的顯微圖像。（c）PANI MEA的SEM。（d）聚苯胺的拉曼光譜。（e）聚苯胺的紅外光譜。（f）PANI的SEM。

圖2.（a）苯胺電化學(xué)聚合的循環(huán)伏安曲線。（b）在5.55-7.41的pH范圍內(nèi)檢測PANI的開路電位曲線。（c）pH值和電位值之間的線性相關(guān)性。（d）PANI MEAs的選擇性和（e）水層研究。（f）檢測與相鄰電極的ES干擾。

圖3.0.2s不同電位刺激的脈沖間隔（a）細(xì)胞的亮場顯微照片(20×)。（b）ΔV-時(shí)間曲線。（c）ΔpHe-時(shí)間曲線。

圖4.不同脈沖間隔下0.5 V的刺激電位：（a）ΔV-時(shí)間曲線和（b）ΔpHe-時(shí)間曲線。不同脈沖間隔下0.7 V的刺激電位：（c）ΔV-時(shí)間曲線和（d）ΔpHe-時(shí)間曲線。

圖5.細(xì)胞測試后的電極（a）靈敏度和（b）顯微鏡圖像(10×)。