集成可拉伸纳米电子器件的类机器人类器官可在发育过程中进行功能性映射

类器官是体外微型化的细胞器官模型，为研究器官发育、疾病机制和药物筛选提供了重要机会。然而，理解类器官的复杂发育和功能需要一种能够在整个三维结构中以单细胞分辨率进行长期、连续监测细胞活动(如电生理和机械活动)的方法。现有的监测技术，如基于成像的技术、细胞内记录和多电极阵列的细胞外记录，在时间分辨率、长期稳定性、空间覆盖范围以及捕捉类器官复杂三维结构内多细胞协调活动的能力方面存在局限性。

2025年3月26日，发表在Nature Protocols上题为Cyborg organoids integrated with stretchable nanoelectronics can be functionally mapped during development的文章揭示了“赛博格类器官”技术。该技术通过将具有类组织特性的可拉伸网格纳米电子器件(如组织级柔性、亚细胞特征尺寸和网格状网络)与三维类器官无缝集成，实现了在类器官发育过程中对细胞活动的长期、连续监测。这种集成是通过类器官发生过程中的二维到三维组织重构实现的，借鉴了体内器官从二维胚胎胚层发育的过程。该技术克服了现有方法的局限性，提供了非侵入性、长期稳定的三维生物电子接口，实现了整个类器官发育过程中电生理活动的连续监测。

图示描述

1，Cyborg organoid技术框架。图 1a 展示了 Cyborg organoid 的设计概念，通过将类似组织的可拉伸网状纳米电子设备与 3D organoid 结合，实现组织级灵活电子设备与 organoid 的无缝集成。图 1b 详细介绍了整个协议的流程，包括多层组织级柔性网状电子设备的设计(步骤 1-10)、干细胞衍生 organoid 与柔性网状电子设备的无缝 3D 集成(步骤 11-18)、长期稳定的 organoid 电生理学监测(步骤 19-25)以及多模态和整合分析(步骤 26-29)，为单细胞分析、细胞动态、闭环控制和多模态整合提供支持。图 1 展示了 Cyborg organoid技术的整体框架，强调了其在器官发育和功能研究中的潜力。

2，可拉伸网状纳米电子设备的制备。图 2 展示了制备具有组织级灵活性和可拉伸性的网状纳米电子设备的具体步骤。从玻璃基底上制备镍牺牲层开始，依次进行底部 SU-8 封装层、金(Au)互连层、铂(Pt)电极层、顶部 SU-8 封装层以及掺杂罗丹明 6G 的 SU-8 作为荧光条码层的制备。这些步骤共同构建了具有低填充比和亚微米厚度的网状结构，为后续与 organoid 的整合提供了关键的硬件基础。图 2 为 Cyborg organoid 技术提供了硬件支持，确保了纳米电子设备的高性能和生物相容性。

3，可拉伸网状纳米电子设备的封装和表征。图 3a-c 展示了将制备好的网状纳米电子设备与外部电路连接并封装的过程，通过翻转芯片键合技术将柔性扁平电缆连接到设备的输入/输出焊盘上，并使用定制腔室进行封装。图 3d 和 3e 展示了对封装后的设备进行电学性能表征的结果，包括阻抗和相位的测量，以及不同样本在 1 kHz 时的阻抗分布，验证了设备的电学一致性和可靠性。图 3 通过封装和表征验证了纳米电子设备的性能，为后续实验奠定了基础。

4，hPSCs 衍生前体细胞与网状纳米电子设备的整合。图 4a 描述了 hPSCs 分化为不同类型前体细胞并与网状纳米电子设备整合的过程，用于生成不同类型的 Cyborg organoid。图 4b-e 展示了心脏 organoid 在整合后的不同时间点的形态变化以及设备在 organoid 中的均匀分布情况，证明了整合过程的成功以及设备与 organoid 的良好融合。图 4 展示了 Cyborg organoid 的构建过程，证明了纳米电子设备与生物组织的兼容性。

5，Cyborg organoid 的长期电生理学记录。图 5a 展示了用于记录 Cyborg organoid 电生理学信号的实验设置，包括 Cyborg organoid 与柔性输入/输出接口、记录头端和数据采集系统的连接，并通过法拉第屏蔽笼进行电磁屏蔽。图 5b 是简化的电路图，进一步说明了连接关系。图 5c-e 展示了实际的实验装置，包括记录设置的细节和数据采集系统，为实现长期稳定的电生理学记录提供了实验基础。图 5 为 Cyborg organoid 的电生理学研究提供了技术支持，确保了数据的准确性和可靠性。

6，Cyborg organoid 的整合数据分析策略。图 6a 展示了从记录的信号中提取有意义信息的电生理学数据处理流程，包括尖峰检测、特征提取和聚类等步骤。图 6b 描述了如何通过降维和伪时间算法从提取的波形中构建轨迹表示，以推断细胞状态的变化。图 6c 展示了如何整合原位测序与电生理学记录，实现分子和电生理学表型的联合聚类和跨模态预测。图 6d 展示了基于记录的电生理学数据构建的闭环控制系统，用于通过反馈刺激实现对 organoid 的智能调控。图 6 提供了 Cyborg organoid 数据分析的全面策略，展示了其在生物医学研究中的应用潜力。

全文总结

总之，类机器人类器官技术通过将可拉伸网格纳米电子器件无缝集成到三维类器官中，实现了单细胞分辨率的组织范围功能映射，能够长期监测电生理活动的动态变化。该技术克服了传统方法的局限性，为研究类器官的发育、分化和成熟提供了有力工具。此外，它在疾病建模、药物筛选和个性化医疗方面展现出巨大潜力，可通过基因扰动或病理条件暴露来研究疾病机制及评估药物效果。结合原位RNA测序，还能实现功能与分子表型的同时空间映射。另外，该技术为“类器官智能”铺平了道路，通过集成人工智能算法的双向闭环系统，研究人员可利用机器学习分析细胞网络动态，并通过长期刺激控制类器官活动，实现自适应自我调节。