由于其對生物分子和細胞的直接影響，電刺激(ES)現在被廣泛用于調節細胞增殖、分化和神經刺激，甚至在臨床上用于止痛、治療神經損傷和肌肉康復。傳統的ES主要在細胞群體上進行研究，但癌細胞的異質性導致無法獲得單個細胞對ES的反應。因此，在單細胞水平上檢測ES后的細胞外pH變化(ΔpHe)對于ES在腫瘤治療中的應用很重要。


大連理工大學吳碩和銀冰使用聚苯胺(PANI)修飾的金微電極陣列原位監測周期性脈沖電刺激(IES)后的細胞ΔpHe。PANI傳感器在5.55-7.41的pH范圍內具有良好的靈敏度(53.68 mV/pH)和線性相關系數(R2=0.99)。IES后，細胞表現出不同程度的ΔpHe，具有不同的時間間隔和刺激電位。較短的脈沖間隔和較高的刺激電位可以有效地增強刺激并增加細胞ΔpHe。在0.5 V電位刺激下，細胞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，由于刺激強度不足，也不會產生顯著的額外ΔpHe?；谏鲜鼋Y論，制備的PANI微電極陣列(MEA)能夠刺激和檢測單個細胞，這有助于ES在腫瘤治療中的更深入應用。相關工作以“Difunctional Microelectrode Arrays for Single-Cell Electrical Stimulation and pH Detection”為題發表在國際著名期刊Analytical Chemistry上。


研究要點


要點1.作者報道了一種聚苯胺(PANI)修飾的微電極陣列，用于原位電刺激和監測單細胞ΔpHe。使用標準微納制造技術制備了能夠原位單細胞pHe信號記錄的集成96個微電極的MEA。


要點2.PANI作為pH敏感材料電化學沉積在傳感區域中。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秀電極修飾材料，有利于監測細胞ΔpHe和實現ES。


要點3.PANI傳感器的平均靈敏度為53.68 mV/pH，在5.55-7.41的pH范圍內具有良好的相關系數(R2=0.99)。在芯片上培養了HeLa細胞，用于監測有無周期性脈沖電刺激(IES)的單細胞ΔpHe。細胞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的增強可以導致來自細胞的更強的pH響應。


這項工作可以為監測和刺激單細胞提供一個可行的方案。


研究圖文

圖1.（a）PANI MEA檢測細胞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）苯胺電化學聚合的循環伏安曲線。（b）在5.55-7.41的pH范圍內檢測PANI的開路電位曲線。（c）pH值和電位值之間的線性相關性。（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）細胞的亮場顯微照片(20×)。（b）ΔV-時間曲線。（c）ΔpHe-時間曲線。

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

圖5.細胞測試后的電極（a）靈敏度和（b）顯微鏡圖像(10×)。