iPSC核筋細胞単層の収縮と電気生理学を同時に測定するためのカーボンベースのバイオセンシングプラットフォーム

心臓の鼓動は、心筋を介した活動電位の生成と伝播によって引き起こされ、心筋細胞の同期収縮が生じます。このプロセスは、臓器機能における電気的および機械的調整の重要性を強調しています。in vitroでの心臓病の病因と潜在的な治療作用を調査するには、心筋細胞の収縮性と電気生理学の長期的かつ同時に測定できるバイオセンシング技術が必要です。ただし、in vitro心臓モデルの機能的測定のための現在のバイオセンシングアプローチの採用は、低感度、多機能検出の達成の難しさ、および費用のかかる製造プロセスによって妨げられています。炭素ベースのナノ材料を活用して、ヒト誘導性幹細胞由来心筋細胞（IPSC-CM）単層の収縮性と電気生理学のオンチップと同時測定を実行できるバイオセンシングプラットフォームを開発しました。このプラットフォームは、高感度収縮測定のためのカーボンブラック（CB）-PDMS株センサーと、低電極インピーダンスのある細胞外磁場電位を検出するための4つの純粋なカーボンナノチューブ（CNT）電極と埋め込まれた柔軟な薄膜片持ち片片と統合されます。収縮ストレス、鼓動、鼓動、リズム、および細胞外磁場の電位を含む心機能特性を評価して、一般的な心臓剤に対するIPSC-CM応答を定量化しました。さらに、疾患モデリングと薬物検査のプラットフォームをさらに検証するために、薬物誘発性心不整脈のin vitroモデルが確立されました。

Heart beating is triggered by the generation and propagation of action potentials through the myocardium, resulting in the synchronous contraction of cardiomyocytes. This process highlights the importance of electrical and mechanical coordination in organ function. Investigating the pathogenesis of heart diseases and potential therapeutic actions in vitro requires biosensing technologies which allow for long-term and simultaneous measurement of the contractility and electrophysiology of cardiomyocytes. However, the adoption of current biosensing approaches for functional measurement of in vitro cardiac models is hampered by low sensitivity, difficulties in achieving multifunctional detection, and costly manufacturing processes. Leveraging carbon-based nanomaterials, we developed a biosensing platform that is capable of performing on-chip and simultaneous measurement of contractility and electrophysiology of human induced pluripotent stem-cell-derived cardiomyocyte (iPSC-CM) monolayers. This platform integrates with a flexible thin-film cantilever embedded with a carbon black (CB)-PDMS strain sensor for high-sensitivity contraction measurement and four pure carbon nanotube (CNT) electrodes for the detection of extracellular field potentials with low electrode impedance. Cardiac functional properties including contractile stress, beating rate, beating rhythm, and extracellular field potential were evaluated to quantify iPSC-CM responses to common cardiotropic agents. In addition, an in vitro model of drug-induced cardiac arrhythmia was established to further validate the platform for disease modeling and drug testing.