记录具有电生理学特性的细胞动作电位（AP）对于理解亚细胞功能原理以及推进药物开发具有重要意义。对于心肌细胞尤其如此，因为与细胞外场电位（FP）相比，AP信号能提供更丰富的细胞功能信息。AP持续时间、去极化率和复极化时间等关键参数，是预测心肌细胞心律失常的重要指标。细胞内AP可捕捉心肌细胞收缩过程中与时间相关的膜电位变化，从而量化快速去极化和复极化率。此外，细胞内AP的变化与心脏的兴奋传导和收缩功能直接相关。因此，可靠、高通量的细胞内AP检测方法，对于全面了解心脏发病机制及有效筛选药物至关重要。
膜片钳技术被认为是检测细胞电信号的金标准，全细胞膜片钳能够测量细胞内AP。此外，电压敏感染料有助于观察单个和多个心肌细胞中的细胞AP。然而，膜片钳方法通量低，可能对细胞造成不可逆损伤，而电压敏感染料通常具有细胞毒性，需要复杂的实验装置和显微镜操作系统。
利用微加工技术制造的微电极阵列（MEA）可以同时对多个细胞进行长期记录，而且可以在微电极阵列上直接进行细胞培养，提高了用户友好性。为了提高细胞-微电极耦合和电生理信号测量的质量，业界已经开发了具有纳米结构的被动和主动纳米级电极阵列。生物电子平台已经证明，施加脉冲电压有可能使细胞产生可逆的纳米孔，从而实现额外的功能，如细胞转染或细胞电位检测。微电极不仅可以作为电信号检测的媒介，还可以发出电脉冲进行细胞膜电穿孔。
为了探测单细胞内的AP，通常需要使用微纳米加工技术对电极进行绝缘处理，获得直径小于10 μm的微电极。尺寸更小的电极需要更高的加工精度，这使得微纳米加工过程更加复杂。而较小的电极与心肌细胞的密封电阻较高，可最大限度地减少电流泄漏，并通过降低背景噪声提高信号质量。较大的电极往往阻抗较低，可减少热噪声，提高信噪比（SNR）。对于心肌细胞细胞内AP检测，目前还缺乏针对微米级电极暴露区域差异的研究。因此，系统地研究电极尺寸如何影响信噪比、穿孔效率和心肌细胞AP持续时间等参数至关重要。
据麦姆斯咨询介绍，中山大学等机构的研究人员近期在Microsystems & Nanoengineering上发表了一篇题为“Multi-sized microelectrode array coupled with micro-electroporation for effective recording of intracellular action potential”的论文。在这项工作中，研究人员介绍了不同微米尺寸的微电极对细胞内AP信号质量和细胞内记录指标参数的影响。首先，研究人员通过无源电路仿真建模确定，在降低细胞膜阻抗的情况下，电穿孔后使用平面电极记录的心肌细胞电生理信号波形与细胞内AP波形一致。接下来，研究人员通过三维仿真模型优化了电穿孔电压，并探讨了电极尺寸对跨膜电压、电流密度和电场强度的影响。
用于心肌细胞胞内AP记录的微电极阵列平台的制造和表征
在实验中，研究人员使用标准光刻工艺制造了不同尺寸的微电极阵列，包括混合尺寸微电极阵列（Mix-MEA）和多尺寸微电极阵列（MSMEA）。通过将这两种类型的微电极阵列结合微米电穿孔，记录了不同培养环境下心肌细胞的细胞内AP。
模拟微电穿孔的细胞内AP记录和细胞-电极界面的仿真模型
对电生理信号的分析表明，电极阻抗对细胞内AP的振幅和信噪比影响较大。随着微电极尺寸的增加，细胞内AP的振幅和信噪比分别增加了220%和70%。跨膜电压和电场强度对穿孔效率、AP持续时间和记录到的单细胞信号比例的影响更大。随着微电极尺寸的增大，穿孔效率、AP持续时间和记录到的单细胞信号比例分别下降了18.8%、17.5%和19.5%。在3 V电穿孔电压下，不同尺寸的微电极对心肌细胞的自动调节没有显著影响。
这项研究表明，微电穿孔技术可应用于各种尺寸的微电极，使细胞内记录超越了高分辨率微电极的限制。通过将该技术应用于更大的微电极，为使用更具成本效益的制造方法制造能够进行高质量细胞内AP记录的微电极带来了新机遇。这种方法有可能提高基于微电极阵列的细胞内记录设备和实验设置的灵活性。
混合尺寸微电极阵列（Mix-MEA）用于心肌细胞胞外FP和细胞内AP记录以及参数分析
这项研究的创新之处在于发现直径为100 μm或更大的微电极仍能实现高效、安全的细胞电穿孔。传统上，增大电极尺寸会影响电场定位能力，对细胞穿孔效率产生负面影响，并可能因影响较大面积的膜而损害细胞健康。因此，以往的研究侧重于开发直径在100 nm到10 μm之间的微纳米电极，用于细胞穿孔和信号记录。然而，这些电极需要复杂的微纳制造技术，限制了某些材料的生产，或必须在聚合物基底上进行加工。研究人员首次证明，直径超过100 μm的微电极不仅能保持较高的穿孔效率和安全性，而且在记录细胞内信号方面表现出很强的性能。
这一发现大大提高了微电极制造的灵活性，较大的电极（例如超过100 μm的电极），无需依赖复杂的光刻微加工技术即可制造。激光加工、丝网印刷或掩膜磁控溅射等其他制造方法，可以快速制造此类电极。例如，使用这些技术可以高效地制备出直径为100 μm的石墨烯基微电极阵列。这些较大电极具有出色的细胞穿孔效率和细胞内信号记录能力，这一发现为推进微电极阵列的开发提供了宝贵的启示，有望使其成为细胞内信号记录应用的理想工具。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00887-6
