生命以心跳開始，也以心跳結束。這種規律的節律是由身體的自然起搏器設定的：一組稱為竇房結的細胞。當該節點出現故障時，心臟病專家可以植入電動起搏器來刺激人的心臟恢復正常心率。但標準起搏器由壽命有限的電化學電池供電，并且這些設備容易出現電極故障和外部電磁場的干擾。植入式起搏器的主要挑戰之一是它們可能導致心臟不同部位收縮不同步。與由身體傳導系統刺激的健康心臟不同，由起搏器控制的心臟由通常植入右心房或心室的電極刺激。盡管電信號快速穿過整個器官，但這種局部刺激可能會導致異步興奮，從而導致不同步的收縮。各種再同步裝置添加了左心室電極，可預防和減輕此類情況下的心力衰竭。然而，這些設備要么只針對心臟中的幾個部位，要么需要在傳導系統的特定點精確植入一個電極。近日，芝加哥大學田博之、Narutoshi Hibino等人提出一種利用光能刺激心臟的技術，可以解決這些問題。無引線柔性生物電子器件以類似于人體自身調節機制的方式調節生物電信號，可以為神經退行性疾病和心臟病提供新的治療途徑。光介導的遺傳系統提供高時空分辨率和可調性，具有細胞和組織刺激的隨機訪問能力。對于臨床轉化，最新的基于非遺傳光電二極管的光電設備可將光轉換為電流，以與光遺傳學中使用的光功率水平相當的光功率水平有效地調節細胞和組織。微圖案像素化光電極能夠實現高分辨率的局部刺激，展示了視網膜假體的巨大潛力。盡管如此，促進多位點生物刺激的單片光電化學裝置的轉化潛力取決于光刺激響應曲線在精度、準確性和分辨率方面的清晰表征。在細胞水平上，單個神經元同時具有電流源和電流匯，從而形成一個全局電荷平衡網絡，具有偶極子甚至 n 極形式的局部異質細胞外電位。在分子水平上，神經元興奮可涉及快速鈉內向電流、慢速鈣內向電流以及快速或慢速鉀電流。這些離子電流類似于光電化學系統中的穩定法拉第電流和快速電容性陰極和陽極電流。這兩方面的成就為用于生物電調制的無引線光電化學系統鋪平了道路。研究人員提出時空光電化學器件剖析作為一種新方法，用于評估半導體-鹽水系統的時空能力。制造了四種不同配置的基于硅的光電二極管器件，分別為單晶p-n硅（sPN-Si）、p-i-n型硅（PIN-Si）、Au納米顆粒修飾的p-i-n硅（PIN-Si（Au））和基于多孔結構的異質結（Por-Si）。研究結果發現Por-Si在相同光照條件下的絕對光電流大小最大，而且經過1000次循環后保持了85%以上的初始光電流值。在器件精度、準確性和分辨率方面的評估中，Por-Si表現出最佳的性能，其光電流定位和分辨率最優。Por-Si的時空圖顯示，其具有最優的光電流定位和光電化學電流半高全寬（FWHM）的變化，表明具有更高的光學可調分辨率。此外，實驗結果表明，Por-Si的光生空穴比電子擴散更遠，使得器件可以在沒有獨立返回電極的情況下工作。Por-Si在用于高時間精度的光刺激應用非常具有潛力，且具有內在的電荷平衡特性，可能增強其在生物電應用中的安全性。圖|具有高時空分辨率光響應的單片光電化學器件的設計概念該研究通過使用單體Por-Si芯片對心肌細胞進行光刺激實驗，成功實現了精準的細胞激活控制。光驅動能夠引發心肌細胞的同步鈣內流，并調控興奮細胞區域大小。近場電刺激和遠場電刺激產生了不同的膜去極化模式。光刺激引發的局部效應對細胞內Ca2+動態和藥物反應具有重要影響。該研究為未來的細胞機制研究和體外長期刺激研究提供了一個有前景的工具。在體外大鼠心臟光刺激實驗中，Por-Si芯片表現出了可靠的心臟起搏效果，其最低穩定起搏光強降至0.166 mW mm?2，實現了360 bpm的心率。此外，通過工程化的Por-Si設備，可實現高時空多點起搏，并成功控制心肌組織的激活起始點。在體內大鼠心臟光刺激實驗中，Por-Si設備可在較低光強下（0.94 mW mm?2）可靠地實現心臟起搏，且能夠達到高達600 bpm的心率，同時能夠實現雙心室同時起搏。此外，在非侵入性胸腔起搏實驗中，Por-Si設備可通過胸壁實現360 bpm的心率起搏，而無需開胸手術。研究人員在活體豬模型中應用非基因光電子技術調節心臟活動，成功實現了對心臟的光刺激。通過將Por-Si器件放置在右心室心外膜壁上，實現了對心室起搏的精準控制，無需縫合或黏合劑。光刺激后，觀察到明顯的心室起搏波形，光脈沖頻率為2 Hz時，心率達到120 bpm。通過調節光強度，可獲得確定性的起搏效果，解決了同步不一致性的問題。在豬心起搏實驗中，研究人員確定了適用于不同心臟區域的光刺激閾值，為20–30 mW mm?2的光強度和1 ms的脈沖持續時間。使用柔性的多通道MEA，研究人員能夠直接記錄心外膜表面的電信號，以實時監測心臟電活動的傳播路徑和時空分布。通過多點和雙心室起搏，研究人員展示了對心臟激活的空間精準控制。這些結果為光刺激技術在臨床心臟調控中的應用提供了重要的實驗基礎。最后，研究人員開發了一種微創的設備輸送技術，用于光學心臟調控，通過豬心模型模擬臨床手術程序。這種技術只需要在兩根肋骨之間進行直徑為0.5–1厘米的小切口，避免了傳統手術中的骨切割和擴張，減少了術后創傷。通過微型外科手術程序，在心包膜上暴露一個小窗口，然后通過切口引入輸送設備導管，使Si膜設備安全地鋪設在心外膜表面。在引入光纖耦合內窺鏡后，研究人員成功地在封閉的胸腔環境中實現了對豬心的微創光刺激。這些發現表明了該技術的潛在臨床轉化價值，為微創心臟干預提供了理論基礎。Li, P., Zhang, J., Hayashi, H. et al. Monolithic silicon for high spatiotemporal translational photostimulation. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07016-9
