A Carbon-Based Biosensing Platform for Simultaneously Measuring the Contraction and Electrophysiology of iPSC-Cardiomyocyte Monolayers

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作者
Wenkun Dou,Manpreet Malhi,Teng Cui,Minyao Wang,Tiancong Wang,Guanqiao Shan,Junhui Law,Zheyuan Gong,Julia Plakhotnik,Tobin Filleter,Ren‐Ke Li,Craig A. Simmons,Jason T. Maynes,Yu Sun
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 11278-11290 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c04676
摘要

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.
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