“电子小助手”入驻类器官！Nat Protoc：赛博格技术精准揭秘心脏、大脑、胰腺的发育密码

在现代医学研究领域，类器官作为体外微型化的器官细胞模型，为探究器官发育、疾病机制以及药物筛选带来了新的曙光。想象一下，在实验室的培养皿中，能够培育出模拟人体真实器官功能和结构的微小组织，这对于医学进步的意义不言而喻。它不仅可以帮助我们深入了解人体器官的发育过程，还能为个性化医疗和新药研发提供精准的实验模型，有望为众多患者带来更有效的治疗方案。

近期，Nat Protoc刊载了一项引人注目的研究——Cyborg organoids integrated with stretchable nanoelectronics can be functionally mapped during development。这项研究聚焦于赛博格类器官技术，通过将具有组织样特性的可拉伸网状纳米电子器件，巧妙地整合到3D类器官中，实现了在类器官发育过程中对其功能的精准映射。这一创新技术，为我们深入理解类器官的发育和功能，开辟了全新的途径。

传统的类器官功能研究方法，如基于成像的技术、细胞内记录和使用多电极阵列的细胞外记录等，虽然在一定程度上推动了研究进展，但都存在各自的局限性。比如，成像技术的时间分辨率较低，难以捕捉细胞电生理活动的快速变化；细胞内记录每次只能检测一个细胞，无法反映多个细胞间的协同活动；而传统的多电极阵列在应用于3D类器官时，由于只能接触组织表面，无法获取内部细胞的活动信息，且在类器官生长和形态变化时难以保持稳定接触。

赛博格类器官技术则成功克服了这些难题。该技术的核心在于可拉伸网状纳米电子器件的设计，其仿生网状结构具有高拉伸性、可压缩性和柔韧性，与生物组织相媲美，能够与3D组织中的细胞建立长期稳定的界面。同时，纳米电子器件的电极尺寸与细胞相当，且阻抗低，可实现非侵入性、局部单细胞记录，不会破坏组织完整性。此外，其可扩展的制造工艺使得大规模生产高密度多功能传感器/刺激器阵列成为可能，能够对整个3D类器官进行全面的功能映射。

图 1：赛博格类器官实验方案概述

图 2：组织级柔性可拉伸网状纳米电子器件的制备

研究人员通过该技术，在多种类器官研究中取得了令人瞩目的成果。在心脏类器官研究中，发现了人类多能干细胞（hPSCs）来源的内皮细胞，在促进hPSCs来源的心肌细胞电成熟过程中起着关键作用。通过持续的高分辨率电记录，揭示了心脏组织功能发育过程中，不同细胞类型之间的复杂相互作用。这一发现对于理解心脏发育机制以及相关心脏疾病的治疗具有重要意义。

在脑类器官研究方面，赛博格类器官技术能够实时监测神经网络活动的出现，以及复杂电生理模式的发展。这有助于我们深入了解大脑发育过程，以及神经发育障碍背后的潜在机制，为神经系统疾病的研究和治疗提供了新的思路。

胰腺类器官的研究同样成果丰硕。研究揭示了在类器官成熟过程中，昼夜节律胰岛水平激素分泌节律，反映了干细胞来源的胰腺α细胞和β细胞电活动的持续协调振荡。这一发现为糖尿病等胰腺相关疾病的研究和治疗，提供了关键的理论依据。

图 3：赛博格类器官的长期电生理记录

此外，赛博格类器官技术还具有广阔的应用前景。它可以与其他技术，如原位RNA测序相结合，实现组织电活动和单细胞基因表达的同步空间绘制，全面解析类器官中基因表达与功能动态之间的关系。通过对患者来源的hPSCs进行类器官培养，并结合赛博格类器官技术，还能够评估药物的疗效和毒性，推动个性化医疗的发展。

图 4：赛博格类器官的综合数据分析策略

综上所述，赛博格类器官技术作为一种具有开创性的研究工具，为我们打开了一扇深入了解类器官发育和功能的大门。它不仅在基础研究领域发挥着重要作用，还为未来的医学发展，尤其是个性化医疗和新药研发，提供了强大的技术支持。相信在科研人员的不断探索和努力下，这一技术将取得更多突破，为人类健康事业带来更多福祉。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Lin Z, Wang W, Liu R, et al. Cyborg organoids integrated with stretchable nanoelectronics can be functionally mapped during development. Nat Protoc. Published online March 26, 2025. doi:10.1038/s41596-025-01147-7