MEASSuRE 細胞組織拉伸耦合電生理及實時成像系統
微電極陣列拉伸刺激和記錄設備

MEASSuRE 是一個完整的解決方案，供研究人員單獨或同時機械拉伸細胞/組織、對其進行光學成像以及記錄/刺激電生理活動。

通過電生理測量評估細胞健康和成熟度

拉伸前：電極記錄細胞拉伸前的神經活動。	拉伸過程中：可拉伸電極在拉伸運動中隨組織移動。	拉伸后：可拉伸電極記錄與拉伸運動前相同位置的神經活動。

生理拉伸，細胞在其健康范圍內拉伸：

干細胞向特定細胞類型的分化受微環境因素的調節，例如化學因素、機械力和電場。現有的指導干細胞分化的產品是單獨使用化學因子，或者結合機械力或電場。MEASSuRE 為研究人員提供了獨立操縱這三個因素的唯1一方法，這將允許生成比當前方法更接近體內成熟器官的器官和組織，即它們將更接近地復制人體的復雜性.  

病理性拉伸，細胞拉伸超出其健康極限，造成創傷：

MEASSuRE在體外受控環境中重現神經外傷（創傷性腦損傷，TBI；脊髓損傷，SCI）或肌肉損傷的生物力學。可拉伸 MEA 中的電極隨細胞/組織一起拉伸，即，它們在拉伸之前、期間和之后保持與組織上相同位置的接觸。這種能力允許通過比較受傷后細胞的電生理學（例如，信號幅度和頻率）與受傷前的水平來直接、直接地評估受傷細胞的損傷，即，MEASSuRE 是一個篩選平臺，用于評估藥物和其他治療策略對神經外傷的療效。篩選基于受損細胞和組織切片的電生理學。sMEA 中的電極是可彈性拉伸的，即它們還允許調查同一細胞/組織的反復損傷，例如，研究反復腦震蕩（輕度 TBI）的細胞和分子機制，這一點知之甚少。

MEASSuRE 將作為一個平臺，從根本上改進方法，在受控的體外環境中研究細胞的生理拉伸和病理拉伸。此外，MEASSuRE 允許在整個拉伸過程中對細胞進行光學成像，以驗證組織應變并檢測組織的形態變化。

 運行原理

Morrison 等人，神經科學方法雜志，150:192，2006 年。

通過在壓頭上拉動帶有嵌入式微電極的硅膠膜來拉伸細胞。電極隨組織一起伸展，因此能夠記錄從同一位置伸展前后的神經活動。

優勢特點：

A. 細胞培養的同時機械、光學和電氣接口：

MEASSuRE 的特殊之處在于它結合了三種與細胞或組織培養相互作用的模式：機械、光學和電學。此功能可帶來以下好處。

1. 拉伸前和拉伸后的比較： MEASSuRE 允許將細胞/組織的拉伸后電生理活動標準化為拉伸前水平，因為可拉伸 MEA 上的微電極會隨著細胞/組織拉伸，即它們與細胞/組織保持接觸在拉伸之前、期間和之后組織（或細胞培養物）上的相同位置。這是 MEASSuRE 的特殊價值主張，由我們的可拉伸微電極技術實現。

2. 重復拉伸和松弛：可拉伸 MEA 的微電極隨組織彈性拉伸，允許循環或重復拉伸。這種能力對于研究反復受傷（例如腦震蕩）的影響以及器官芯片和再生醫學應用非常重要。

3. 組織應變驗證：細胞所經歷的應變取決于細胞粘附在底層硅膠膜上的強度和均勻性，不一定與可拉伸 MEA 的 PDMS 基板上的應變相同，這取決于位移壓頭。因此，重要的是能夠準確地確定細胞被拉伸了多少。MEASSuRE 提供了這種能力。通過設計，細胞在拉伸過程中保持在鏡頭的焦平面上，即細胞可以在整個拉伸過程中使用內置高速相機進行成像。BMSEED 基于 MATLAB 的圖像分析軟件允許使用這些圖像計算細胞應變。

4. 方便省時：與必須使用 2 或 3 個單獨的工具相比，能夠使用一個工具執行三個操作非常方便，并且節省時間和空間。

B. 應變的高再現性：音圈致動器 (VCA) 通過將可拉伸 MEA 的可拉伸部分拉到圓柱形壓頭上，產生運動以在可拉伸 MEA 和組織上產生應變。VCA 中內置的位置傳感器和 PID 控制器可實現精1確的閉環運動控制。其他細胞拉伸器使用氣動系統或電機來產生應變。氣動系統中的真空吸力無法精1確控制，因為在被拉伸的膜中沒有位置傳感器反饋（無閉環），提供較少的可重復應變，這將隨基材特性而變化。電機控制系統在位置（即應變）和電機輸出之間沒有閉環反饋。

C. 通用性強：在 VCA 限制范圍內的任何拉伸模式（關于加速度、速度和沖程）都可以使用宏進行編程。樶多有 64 種預編程拉伸模式，因此與 MEASSuRE 相比，嚴重限制了用戶的選擇。

D. 高應變： MEASSuRE 產生高達 50% 的應變。其他產品的應變一般為20-30%，只有MEASSuRE能產生的應變高達55%。

E. 高應變率：由于使用音圈致動器 (VCA) 產生拉伸運動，MEASSuRE 能夠針對 >100/s 的非常高的應變率產生足夠高的速度和加速度。競爭對手能夠產生的應變率很低，通常 <10/s。

F. 徑向和線性應變： MEASSuRE 能夠在同一工具中產生徑向和線性應變。只需要更換可拉伸 MEA 被拉動的壓頭類型。競爭對手也提供線性和徑向拉伸器，但不是在同一工具上，即客戶需要購買不同的細胞拉伸器。

G. 價格： MEASSuRE 系統整體價格小于同類功能三個分開系統的綜合購買價格。

應用方向

每年有超過 170 萬美國人遭受創傷性腦損傷 (TBI) 或腦震蕩，220,000 人住院，66,000 人死亡。此外，每年有 12,000-20,000 名美國人遭受脊髓損傷 (SCI)。盡管過去幾十年在研究和藥物開發上投入了數十億美元，但人們對神經外傷的機制知之甚少，神經保護藥物的 30 項臨床試驗全部失敗。此外，流行病學數據表明，創傷性腦損傷 (TBI) 病史是導致阿爾茨海默病 (AD)發展的重要環境風險因素。AD 和 TBI 之間存在聯系的證據是淀粉樣蛋白 (Abeta)在 TBI 后急性死亡的 30% 患者中發現了與 AD 早期觀察到的斑塊相似的斑塊。此外，重復性腦震蕩或輕度 TBI (mTBI) 可能導致永1久性退行性變化，包括 AD、慢性創傷性腦病和癡呆。

MEASSuRE 使功能性藥物篩選能夠直接評估候選藥物的神經保護功效，加速臨床前藥物發現過程。

生理拉伸

組織工程	藥物毒性測試	生物力學應用
當細胞在分化過程中受到力學刺激和電刺激時，分化成特定組織的干細胞具有更接近成體組織的特性。	在力學刺激和電刺激下分化的干細胞生長的組織更能代表成年人各自的器官，從而提高了制藥公司進行藥物毒性試驗的有效性。	在神經元和其他細胞類型中，有多種機制可以轉導和感知機械力，MEASSuRE 提供了從根本上了解生物力學影響的能力。

病理拉伸

神經外傷	腦震蕩	肌肉損傷和疼痛	干細胞修復機制	阿爾茨海默氏病
MEASSuRE 再現了 TBI 和 SCI 的生物力學。通過將受傷后的電生理學與受傷前的水平進行比較，可以很容易地評估受傷神經元的健康和功能的變化。因此，可以很容易地評估神經保護治療的有效性，以樶大限度地減少損傷后的損傷。	MEASSuRE 將允許研究人員和醫生開發改進的腦震蕩協議，這些協議基于潛在損傷的電生理學而不是認知測試。	MEASSuRE 將允許調查由過度緊張或壓縮引起的肌肉損傷的機制，并評估藥物以加速恢復。	干細胞參與身體不同部位受傷后的修復過程，例如創傷性腦損傷后的大腦。機械感受器激活的機制尚不清楚。MEASSuRE 將是闡明和研究這種機制的有用工具。	阿爾茨海默病等神經退行性疾病與 TBI 有共同的病理學途徑，例如淀粉樣斑塊的形成。因此，MEASSuRE 可能是早期評估候選藥物抗阿爾茨海默病療效的寶貴工具。

臨床前藥物篩選
失敗的方法：基于目標的高通量篩選 (HTS) 先導化合物的發現基于針對分子靶標的活性 必須知道目標 理論往往是錯誤的 不太可能發現通過新的生物學機制起作用的化合物
更好的方法：使用器官切片或分離的細胞培養物進行功能篩選 直接評估目標組織的神經保護特性 目標不需要知道 通過電生理測量直接評估細微細胞功能 傷后正常化至傷前水平 內置內部控制
MEASSuRE 在神經保護化合物的功能性藥物篩選上的優勢
MEASSuRE 在創傷性腦損傷 (TBI) 藥物發現方面的優勢 根據電生理組織對拉伸（損傷）的反應篩選導聯 無需知道目標 發現新的生物學機制 在臨床前開發的早期淘汰候選藥物 避免拒絕潛在的候選藥物 通過減少體內測試的數量來節省時間、資金和動物實驗數量

案例分享

評估 TBI 后器官型海馬切片培養物 (OHSCs) 的長期增強作用

基于 OHSC 的體外模型維持海馬體的結構，并提供一個平臺來研究多種細胞類型的相互作用。長時程增強 (LTP) 是基于突觸可塑性的學習和記憶的體外細胞關聯。反復輕度損傷后長期增強作用降低。本研究展示了在 MEASSuRE 平臺中使用可拉伸微電極陣列 (sMEA) 如何在檢測 TBI 后 LTP 損傷（即突觸可塑性降低）中發揮關鍵作用。

方法

將源自 P8-10 Sprague-Dawley 大鼠海馬的 OHSC 置于 sMEA 上，并在培養箱中保存至少 10 天。用MEASSuRE的電生理學模塊記錄自發活動和刺激反應 (SR) 曲線。然后使用 MEASSuRE 的力學模塊對切片（每個 sMEA 一個）進行中度雙軸拉伸損傷（平均應變：16.2%，應變率：16.8 s-1），或假損傷作為對照。實際組織應變通過 MEASSuRE成像模塊記錄的高速視頻進行確認。  受傷后 24 小時，第二次記錄自發活動和 SR 曲線。為了測量可塑性，用 100Hz 的 3 輪 100 個脈沖誘導長期增強，間隔 10 秒，在 i50 下施加一次。LTP 百分比值計算為可塑性誘導后 50-60 分鐘測量的響應大小，歸一化為基線的樶后 10 分鐘。

結果

總體放電率、自發活動的幅度、SR 參數或受傷前后的平均爆發次數沒有變化。然而，受傷后平均爆發的尖峰長度有所減少（7.78 ± 0.71 對 5.94 ± 0.16，N = 10-12 片，*p<0.05）。  與基線相比，受傷后 24 小時的 LTP 缺陷是穩健的（48.06 ± 13.50 對 -3.62 ± 2.79%，N=4 切片 **p<0.01，見圖）。

受傷后，通過高頻刺激誘導 LTP 不會增加在假損傷 OHSC 中看到的反應幅度

結論

可伸縮微電極陣列 (sMEA) 提供了一種特殊的方法來研究受傷前后同一 OHSC 的電活動。在此示例中，檢測到損傷后存在較大的 LTP 缺陷，可用作評估 TBI體外治療的模型。