JP2002522028A - Assembly and device for extracellular electrophysiological recording and use thereof - Google Patents

Assembly and device for extracellular electrophysiological recording and use thereof

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JP2002522028A
JP2002522028A JP2000561490A JP2000561490A JP2002522028A JP 2002522028 A JP2002522028 A JP 2002522028A JP 2000561490 A JP2000561490 A JP 2000561490A JP 2000561490 A JP2000561490 A JP 2000561490A JP 2002522028 A JP2002522028 A JP 2002522028A
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effect transistor
cells
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JP2000561490A
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Japanese (ja)
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ヴォルフガング クノル
アンドレアス オッフェンホイザー
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シンビオシス ゲーエムベーハー
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Publication date
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    • GPHYSICS
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、脊椎動物の細胞、特に哺乳動物由来の細胞、より詳細には心筋細胞がその上に固定された電界効果トランジスタを含むアッセンブリ、該アッセンブリを含む細胞外電気生理学的記録用装置、及びそれらの、例えば心臓生理学的有効性を持つ可能性のある合成物のような製薬上有用である合成物、或いは副作用を持つ可能性のある合成物、或いは有毒である可能性のある合成物をテストするための使用に関する。 (57) Abstract: The present invention relates to an assembly comprising a field effect transistor having vertebrate cells, particularly mammalian cells, more specifically, a cardiomyocyte immobilized thereon, and extracellular electrophysiology comprising the assembly. Recording devices and their pharmaceutically useful compounds, such as compounds that may have cardiophysiological efficacy, or compounds that may have side effects, or may be toxic Use for testing potential compounds.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【技術分野】【Technical field】

本発明は、脊椎動物の細胞、特に哺乳動物由来の細胞、より詳細には心筋細
胞がその上に固定された電界効果トランジスタを含むアッセンブリ、該アッセン
ブリを含む細胞外電気生理学的記録用装置、及びそれらの、例えば心臓生理学的
有効性を持つ可能性のある合成物のような製薬上有用である合成物、或いは副作
用を持つ可能性のある合成物、或いは有毒である可能性のある合成物をテストす
るための使用に関する。
The present invention relates to an assembly comprising a field effect transistor having vertebrate cells, in particular mammalian cells, more particularly cardiomyocytes immobilized thereon, an extracellular electrophysiological recording device comprising the assembly, and Those compounds that are pharmaceutically useful, such as compounds that may have cardiophysiological efficacy, or that may have side effects, or that may be toxic. For use to test.

【0002】[0002]

【背景技術】[Background Art]

心筋組織におけるインパルスの伝播は、心筋細胞の能動特性(イオンチャネル
、イオン交換体、及びイオンポンプを含む)と受動特性(膜抵抗と膜容量、個々
の細胞の大きさと形、細胞集合、ギャップ結合の形態と密度、及び細胞外スペー
スの空間的構成)とによって決められる。培養心筋細胞における自発性で律動的
な電気的及び機械的活動の様子は、心臓生理学の研究に広く利用されている。組
織培養における電気的活動は通常、細胞内に挿入されたガラスミクロピペット、
パッチクランプピペット、或いは金属微小電極によって記録される。しかしなが
ら、長期間これらの手法を使用することは、それらがずれたり、破損したり、或
いは細胞が損傷したりするゆえに困難である。20年前から、基板に埋め込まれ
た超小型回路を使って培養細胞に侵入させることなく刺激して記録をとる努力が
始まった。半導体プレーナー技術を利用して、さまざまな大きさと形の基板に埋
め込まれた金属微小電極(MME)が心臓細胞やニューロンから長期間記録をとる
ために作られている。電界効果トランジスタ(FET)もまた電気的に能動的な細
胞や組織から記録をとるために使用されている。メタライズ処理されていないゲ
ートを備えた大きなFETが筋肉組織から細胞外電圧を記録するのに利用され、「
浮動状態」の金のゲートを備えたFETアレイが海馬のスライスから記録をとるの
に使用されている。より最近では、オープンゲートを有するFETを使って個々の
無脊椎動物のニューロンから記録がとられている。
The propagation of impulses in myocardial tissue depends on the active properties of cardiomyocytes (including ion channels, ion exchangers, and ion pumps) and the passive properties (membrane resistance and membrane capacity, individual cell size and shape, cell aggregation, gap junctions) And the spatial composition of the extracellular space). The appearance of spontaneous and rhythmic electrical and mechanical activities in cultured cardiomyocytes is widely used in studies of cardiac physiology. Electrical activity in tissue culture is usually achieved by inserting a glass micropipette into the cells,
It is recorded by a patch clamp pipette or a metal microelectrode. However, using these techniques for an extended period of time is difficult because they are displaced, damaged, or damaged. Twenty years ago, efforts have begun to stimulate and record without invading cultured cells using microcircuits embedded in substrates. Using semiconductor planar technology, metal microelectrodes (MMEs) embedded in substrates of various sizes and shapes have been created for long-term recording from cardiac cells and neurons. Field effect transistors (FETs) have also been used to record from electrically active cells and tissues. A large FET with an unmetallized gate is used to record extracellular voltage from muscle tissue,
FET arrays with "floating" gold gates are used to record from hippocampal slices. More recently, individual invertebrate neurons have been recorded using open-gate FETs.

【0003】[0003]

【発明の開示】DISCLOSURE OF THE INVENTION

上記のように、本発明は、それぞれが培養された脊椎動物の細胞における電気
的活動を記録して、それにより例えば心臓生理学の研究をすることを可能にする
FETをベースにしたアッセンブリ、或いはそのようなFETをベースにしたアッセン
ブリを含む装置を提供することを目的としており、このようなアッセンブリ、或
いはこのようなFETをベースにしたアッセンブリを含む装置はそれぞれ、長い期
間細胞の動きや破損、損傷による影響を受けるべきではない。
As mentioned above, the present invention records the electrical activity in each of the cultured vertebrate cells, thereby enabling, for example, studying cardiac physiology.
It is an object to provide a device based on an assembly based on a FET or an assembly based on such a FET, wherein such an assembly or a device including an assembly based on such a FET is Should not be affected by cell movement, breakage, or damage for long periods of time.

【0004】 本発明はさらに、それぞれが製薬上有効である可能性のある合成物をテストす
るために使用され得る、FETをベースにしたアッセンブリ、或いはそのようなFET
をベースにしたアッセンブリから成る装置を提供することを目的としている。
[0004] The present invention further relates to FET-based assemblies, or such FETs, each of which may be used to test compounds that may be pharmaceutically effective.
It is an object of the present invention to provide a device consisting of an assembly based on the above.

【0005】 上記技術的問題は請求項で特徴づけられた実施の形態を提供することにより解
決される。本発明の別の特徴や利点は好ましい実施の形態の説明と図によって明
らかにされる。
[0005] The above technical problem is solved by providing the embodiments characterized in the claims. Other features and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings of the preferred embodiments.

【0006】 特に、本発明によると、ソース接点とドレイン接点からなる少なくとも一つの
電界効果トランジスタと、前記ソース接点と前記ドレイン接点との間にある前記
電界効果トランジスタのメタライズ処理されていない表面領域と接触している脊
椎動物の細胞、特に哺乳動物由来の細胞、より詳細には心筋細胞の一つ以上の層
からなるアッセンブリが提供されている。
In particular, according to the present invention, at least one field effect transistor consisting of a source contact and a drain contact, and an unmetallized surface region of the field effect transistor between the source contact and the drain contact. Provided is an assembly comprising one or more layers of contacting vertebrate cells, particularly mammalian cells, and more particularly cardiomyocytes.

【0007】 前記メタライズ処理されていない表面領域は、少なくとも前記電界効果トラン
ジスタのチャネルの一部を覆っており、その導電率は脊椎動物の細胞の層によっ
て電界効果を介して影響され得る。これゆえに、前記メタライズ処理されていな
い表面領域は、少なくとも前記電界効果トランジスタのメタライズ処理されてい
ないゲート領域の一部と一致する。
The unmetallized surface area covers at least part of the channel of the field effect transistor, the conductivity of which can be influenced via a field effect by a layer of vertebrate cells. Therefore, the non-metallized surface region coincides with at least a part of the non-metallized gate region of the field effect transistor.

【0008】 一つの実施の形態において、単層の心筋細胞が前記電界効果トランジスタの前
記メタライズ処理されていない表面領域上に固定される。前記固定された細胞は
漿液含有の培養液中に存在することが好ましい。一つの好ましい実施の形態にお
いて、前記心筋細胞は拍動するラットの心筋細胞であり、細胞密度は、例えば、
104−106個/cmの範囲にある。
[0008] In one embodiment, a monolayer of cardiomyocytes is immobilized on the unmetallized surface area of the field effect transistor. Preferably, the fixed cells are present in a serum-containing culture. In one preferred embodiment, the cardiomyocytes are beating rat cardiomyocytes, and the cell density is, for example,
It is in the range of 10 4 -10 6 pieces / cm 2 .

【0009】 本発明の別の好ましい実施の形態において、前記電界効果トランジスタは、n
又はpチャネルのシリコン電界効果トランジスタである。この場合、前記メタラ
イズ処理されていない表面領域は、少なくとも前記シリコン電界効果トランジス
タの酸化されたゲートの表面領域の一部と一致する。
[0009] In another preferred embodiment of the present invention, the field effect transistor comprises n
Alternatively, it is a p-channel silicon field effect transistor. In this case, the surface region that has not been metallized corresponds to at least a part of the surface region of the oxidized gate of the silicon field effect transistor.

【0010】 本発明の別の好ましい実施の形態において、前記電界効果トランジスタは少な
くとも一つのIII-V又はII-V半導体ヘテロ構造を含んでいる。例えば、III-V半導 体高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、前記ソース接点とドレイン接点間の半 導体表面上に、或いは任意の保護酸化面上に形成された前記メタライズ処理され ていない表面領域とともに使うことができる。
[0010] In another preferred embodiment of the present invention, the field effect transistor includes at least one III-V or II-V semiconductor heterostructure. For example, a III-V semiconductor high electron mobility transistor (HEMT) may include a non-metallized surface area formed on the semiconductor surface between the source and drain contacts or on any protective oxide surface. Can be used with.

【0011】 前記電界効果トランジスタのメタライズ処理されていないゲート領域の大きさ
は、28×9μmから10×1μmの範囲にあることが好ましい。
The size of the gate region of the field-effect transistor that has not been metallized is preferably in the range of 28 × 9 μm 2 to 10 × 1 μm 2 .

【0012】 本発明の別の好ましい実施の形態において、前記メタライズ処理されていない
表面領域から成る前記電界効果トランジスタは、各中心が一定間隔をおいて離れ
たマトリックス状に、好ましくは各中心が200μmずつ離れた4×4のマトリ
ックス状に配置されている。
[0012] In another preferred embodiment of the present invention, the field-effect transistor comprising a surface region that has not been metallized is a matrix in which each center is separated by a fixed distance, preferably each center is 200 μm. They are arranged in a 4 × 4 matrix separated from each other.

【0013】 本発明の別の実施の形態において、前述のアッセンブリと、任意で、前記アッ
センブリの例えばソース接点やドレイン接点などの記録端子で検出された電気信
号を増幅する手段及び/又は、例えば電子装置に接続されたコンピュータなどの
前記電気信号をモニターする手段とを含む細胞外電気生理学的記録用装置が提供
されている。前記電気信号間の時間遅れを測定する付加的手段を備えたこのよう
な装置は、例えば心筋細胞のような脊椎動物の細胞の層における信号のバースト
パターンの特徴を明らかにするのに都合よく使用することができる。
In another embodiment of the invention, a means for amplifying an electrical signal detected at the aforementioned assembly and optionally at a recording terminal such as a source contact or a drain contact of the assembly and / or Means for monitoring the electrical signal, such as a computer connected to the device, for providing an extracellular electrophysiological recording device. Such a device with the additional means of measuring the time delay between said electrical signals is advantageously used to characterize the burst pattern of the signal in a layer of vertebrate cells, for example cardiomyocytes can do.

【0014】 上述の装置同様前述のアッセンブリも、例えば心臓生理学的有効性を持つ可能
性のある合成物のような製薬上有効である可能性のある合成物、或いは副作用を
持つ可能性のある合成物、或いは有毒である可能性のある合成物をテストするの
に都合よく使用することができる。もちろん、少なくとも二つの前記の異なるタ
イプの合成物から成る化合物も上記装置同様前記アッセンブリによってテストす
ることができる。
[0014] Like the device described above, the above-mentioned assembly may also be a compound that may be pharmaceutically active, for example a compound that may have cardiophysiological efficacy, or a compound that may have side effects. It can be conveniently used to test objects or potentially toxic compounds. Of course, compounds consisting of at least two of the different types of compounds can also be tested by the assembly, as well as the devices described above.

【0015】 例えば、本発明にかかる前記アッセンブリ又は前記装置はそれぞれ、その可能
性のある合成物が不整脈を引き起こすかどうか、心臓の鼓動がそのような可能性
のある合成物に接触することによって律動を失うかどうか、さもなければ、心臓
細胞を例えばカルシウムを加えることにより人工的に不整脈の状態にした後でど
の合成物が心臓の鼓動を元に戻すことができるのかをオンラインでモニターする
ための「バイオチップセンサー」として使用可能である。
[0015] For example, the assembly or the device according to the present invention, respectively, pulsates the heartbeat by contacting such a potential compound to see if the potential compound causes an arrhythmia. For online monitoring of which compounds can restore the heartbeat after artificially arrhythmicizing heart cells, for example by adding calcium, It can be used as a “biochip sensor”.

【0016】 さらに、本発明にかかる前記アッセンブリ又は前記装置をそれぞれで使うと、
細胞間のバーストパターンの発生源、方向と速度を潜在的心臓病患者の診断のた
めに求めることができる。
Further, when each of the assembly or the device according to the present invention is used,
The source, direction and speed of the burst pattern between cells can be determined for the diagnosis of a potential heart disease patient.

【0017】 以下の実施例は本発明をより詳細に説明しているが、本発明を限定するもので
はない。
The following examples illustrate the invention in more detail, but do not limit the invention.

【0018】[0018]

【実施例】【Example】

実験装置 この実施例において使用された電界効果トランジスタ(FET)アレイは、標準
シリコンプレーナー技術を用いて製造されたものである。前記アレイは、メタラ
イズ処理されていない表面領域と一致するメタライズ処理されていないゲート領
域を持つ16のpチャネルFETで構成されたものである。前記ゲート或いはゲー
ト領域の大きさは、28×9μmから10×1μmまでの範囲にあり、各中
心が200μmずつ離れた4×4のマトリックス状に配置されている。これらの
チップは、標準的な28DILセラミックチップキャリヤ(NGK Spark Plug Co.,LT
D、日本)に搭載され、ワイヤーボンディングされ、シリコーンポリマー(Sylga
rd 184 and 96-083、Dow Corning)を使ってカプセル状にされている。
Experimental Equipment The field effect transistor (FET) arrays used in this example were fabricated using standard silicon planar technology. The array is comprised of 16 p-channel FETs having a non-metallized gate region that matches a non-metallized surface region. The size of the gate or gate region is in the range of 28 × 9 μm 2 to 10 × 1 μm 2 , and each center is arranged in a 4 × 4 matrix separated by 200 μm. These chips use standard 28DIL ceramic chip carriers (NGK Spark Plug Co., LT
D, Japan), wire bonded, silicone polymer (Sylga
rd 184 and 96-083, Dow Corning).

【0019】 前記チップキャリヤ上に固定されたガラスリングとともに、カプセル状の装置
は小さな培養皿を形成する。前記FETを用いた電気測定は、ゲートポテンシャル
を特定する基準電極としてAg/AgClのワイヤーを使用して行われた。ドレイン・
ソース間電圧(VDS)が−2.0Vであり、Ag/AgCl・ソース間電圧(VGS)が−2.0V
である通常のドライブ状態で、相互コンダクタンス(dIDS/dVGS)はゲートの
大きさによって0.1mSから0.4mSの間にあった。これらの条件においては、ソー
スからの漏れ電流(IGS)は無視できるものであった。
The capsule-shaped device, together with the glass ring fixed on the chip carrier, forms a small culture dish. The electric measurement using the FET was performed using an Ag / AgCl wire as a reference electrode for specifying a gate potential. drain·
Source-to-source voltage (V DS ) is -2.0 V, and Ag / AgCl-source voltage (V GS ) is -2.0 V
Under normal driving conditions, the transconductance (dI DS / dV GS ) was between 0.1 ms and 0.4 ms depending on the gate size. Under these conditions, the leakage current from the source ( IGS ) was negligible.

【0020】 心臓の伸縮性細胞は、Bhatti et al.,J.Mol.Cell.Cardiol.1989,10,995に詳し
く説明されている手法に従って準備された。要約すると、生後1〜3日のラット
から心臓を取り出し、細かく刻んで分離して、漿液を含む培養液中の記録装置上
に薄くかぶせた。薄くかぶせる前に前記FETアレイを25%の硫酸で洗浄し、Mil
li-Q水で洗い、70%のエタノールで殺菌し、そして約一時間フィブロネクチン
で覆った。最後に無菌水で洗った後、およそ80μlの5×105から9×106
個/mlの細胞を含む懸濁液を使って前記FETアレイの培養皿を満たし、その結果、
細胞密度がおよそ3×107個/cmとなった。前記培養は加湿雰囲気中37度
で培養された。これらの条件下で2、3日の内に自発性の律動的活動を示す細胞 の融合性の単層が成長した。これらの細胞の電気的活動は、薄くかぶせた後3日 目から調べられた。
Heart elastic cells were prepared according to the procedure described in detail in Bhatti et al., J. Mol. Cell. Cardiol. 1989, 10, 995. Briefly, hearts were removed from 1 to 3 day old rats, minced, separated, and thinly placed on a recording device in culture containing serum. The FET array is washed with 25% sulfuric acid before being covered,
Washed with li-Q water, sterilized with 70% ethanol and covered with fibronectin for about 1 hour. Finally, after washing with sterile water, approximately 80 μl of 5 × 10 5 to 9 × 10 6
Fill the culture dish of the FET array with a suspension containing cells / ml cells,
The cell density was approximately 3 × 10 7 cells / cm 2 . The culture was cultured at 37 degrees in a humidified atmosphere. Under these conditions, within a few days, a confluent monolayer of cells exhibiting spontaneous rhythmic activity grew. The electrical activity of these cells was examined from day 3 after the thin coating.

【0021】 記録のために、前記FETアレイは、顕微鏡下に載置された16チャネルの前置
増幅器に接続された。16チャネル全てのドライブ状態から生じるオフセット電
流は補償され、記録された信号は利得100で増幅された。4つまでの選択され
たチャネルが電子装置に接続されたコンピュータを使ってモニターされた。いく
つかの場合、細胞外及び細胞内記録が、3モルのKClで満たされてホルダープリ
アンプのヘッドステージ(Luigs & Neumann、ドイツ)に載置されたガラス微小電
極を使って同時になされた。細胞内記録の場合、前記ヘッドステージ信号は、前
記コンピュータとオシロスコープに接続することができるホールセルアンプ(Lis
t electronic、ドイツ)を使って増幅された。温度は前記FET前置増幅器に取り付
けられたヒーターパッドを使って37度で一定に保たれた。図1には説明した実
験用の装置の要部が模式的に示されている。
For recording, the FET array was connected to a 16-channel preamplifier mounted under a microscope. Offset currents resulting from the drive states of all 16 channels were compensated and the recorded signal was amplified with a gain of 100. Up to four selected channels were monitored using a computer connected to the electronics. In some cases, extracellular and intracellular recordings were made simultaneously using glass microelectrodes filled with 3M KCl and mounted on the head stage of a holder preamplifier (Luigs & Neumann, Germany). For intracellular recordings, the headstage signal is a whole cell amplifier (Lis) that can be connected to the computer and oscilloscope.
t electronic, Germany). The temperature was kept constant at 37 degrees using a heater pad attached to the FET preamplifier. FIG. 1 schematically shows a main part of the experimental apparatus described above.

【0022】 結果とデータ分析 A.一地点記録 十分に成長した培養心臓細胞において、活動電位は細胞膜を通過するナトリウ
ム、カリウム、カルシウム及び塩化化合物の電流によって生じる。内向きナトリ
ウム電流は急速に上昇する活動電位を引き起こす最初のきっかけとなる。カルシ
ウム電流が活動電位の平坦相をもたらし、カリウム電流が細胞を再分極化する。
Results and Data Analysis A. Single Point Recording In fully grown cultured heart cells, action potentials are generated by currents of sodium, potassium, calcium and chloride compounds passing through the cell membrane. Inward sodium currents are the first trigger for a rapidly rising action potential. The calcium current results in a flat phase of the action potential, and the potassium current repolarizes the cell.

【0023】 図2は細胞内微小電極(上側パターン)とFET(下側パターン)を使って同時に
とられた心筋細胞からの典型的な記録を示している。細胞内記録は前記FETの記
録地点から数μm離れて成長した細胞からとられた。より詳しい記録図が図3に
示されている。細胞内電圧VM(微小電極、図3A)の急速な上昇は、最初にソー
ス・ドレイン間電流IDSにおける急増を引き起こし、次いで長く続く減少が起こ
る(FET、図3B)。
FIG. 2 shows a typical recording from cardiomyocytes taken simultaneously using intracellular microelectrodes (upper pattern) and FETs (lower pattern). Intracellular recordings were taken from cells grown several μm away from the FET recording point. A more detailed chart is shown in FIG. A rapid rise in the intracellular voltage V M (microelectrodes, FIG. 3A) initially causes a spike in the source-drain current I DS , followed by a long-lasting decrease (FET, FIG. 3B).

【0024】 各トランジスタの伝達特性から、相当するゲート・ソース間電圧VJが計算でき
、0.2mVから0.5mVの振幅を持つ細胞外活動電位が記録されている。これらの電
圧は、バックグラウンド雑音より5倍から10倍大きかった。最初の細胞外信号の
急上昇は信号全体の約50%を示している。信号の長く続く第二部分の最初の5
0msから100msは、活動電位のオーバーシュートのNa+スパイクとK+成分に似
ているように思われる。細胞外信号の第二部分の持続時間は全部で約100msか
ら200msであった。
A corresponding gate-source voltage V J can be calculated from the transfer characteristics of each transistor, and an extracellular action potential having an amplitude of 0.2 mV to 0.5 mV is recorded. These voltages were 5 to 10 times greater than the background noise. The first spike in extracellular signal represents about 50% of the total signal. First 5 of long lasting second part of signal
From 0 ms to 100 ms seems to resemble the Na + spike and K + components of the action potential overshoot. The total duration of the second part of the extracellular signal was about 100 ms to 200 ms.

【0025】 ゲートにおける細胞外電圧VJ(t)は、伝達機能h(ω)のフーリエ変換による細胞
内電圧VM(t)のたたみこみによってシミュレートすることができる。伝達機能を
確定するための等価回路構成が図4に示されている。細胞外信号の最初の急速な
上昇部分は、主に膜容量CMと結合部のシール抵抗RJから成る高帯域フィルター素
子を使い細胞内電圧VM(t)のたたみこみをすることにより確定される。それゆえ
、このピークの形と振幅は、主に高帯域フィルター素子の時定数(TH=CW・RJ)に
よって決まる(図3C)。 細胞外信号の形と大きさは、受動膜機能素子のみを使
うFETを備え、単一の無脊椎動物のニューロンを結合するために作られたより複
雑な点接触、又は平板接触モデルによって説明することはできないことがわかっ
ている(図3、6のD)。どちらの場合も、高帯域フィルター素子に加えて、ゲー
ト酸化物の容量CGと結合部における膜抵抗RMの典型的な値が使われている。
The extracellular voltage V J (t) at the gate can be simulated by convolution of the intracellular voltage V M (t) by the Fourier transform of the transfer function h (ω). FIG. 4 shows an equivalent circuit configuration for determining the transfer function. The first rapid rise of the extracellular signal is determined by convolving the intracellular voltage V M (t) using a high-band filter element consisting mainly of the membrane capacitance C M and the junction seal resistance R J. You. Therefore, the shape and amplitude of this peak is mainly determined by the time constant (T H = C W · R J ) of the high band filter element (FIG. 3C). The shape and magnitude of the extracellular signal should be described by a more complex point-contact or plate-contact model built to connect single invertebrate neurons with FETs using only passive membrane functional elements Is known to be impossible (D in FIGS. 3 and 6). In either case, in addition to the high-band filter element, a typical value of the membrane resistance R M of the coupling portion and the capacitance C G of the gate oxide is used.

【0026】 第二部分に関するこのモデルの限界は高帯域フィルター素子によって決定され
、そのことはこのモデルが適切に伝達機能を表すことができないことを意味する
。この部分はほとんど能動イオンチャネルのために接触領域で膜を通過して流れ
る電流ICの寄与によるものと思われる(図4)。前記イオンチャネルを通る電流は
時間依存性抵抗RChan=gChanを有する電圧制御されたチャネルによって決まる。
接触領域に流入する電流IC(t)は、固定された抵抗と膜を通過するイオンの流れ
により生じる時間依存性細胞内電圧VM(t)(IC(t)=RChan・VM(t))を使うことに
よって計算できる。
The limitations of this model with respect to the second part are determined by the high-pass filter element, which means that this model cannot properly represent the transfer function. This part most likely to be due to the contribution of the current I C which flows through the membrane in the contact area for active ion channels (Fig. 4). The current through the ion channel is determined by a voltage controlled channel with a time dependent resistance R Chan = g Chan .
The current I C (t) flowing into the contact area is a time-dependent intracellular voltage V M (t) (I C (t) = R Chan · V M generated by the fixed resistance and the flow of ions through the membrane. It can be calculated by using (t)).

【0027】 キルヒホフの法則を適用すると以下の方程式が得られる。Applying Kirchhoff's law gives the following equation:

【0028】 (V M(ω)-V J(ω))(1/RM+ωCM-1/RChan)=V J(ω)(1/RJ+ωCG) (1) h0=RJ/RMとK0=RM/RChanを使うと図4に示された等価回路に関して以下の伝達
機能が得られる。
( V M (ω) -V J (ω)) (1 / R M + ωC M -1 / R Chan ) = V J (ω) (1 / R J + ωC G ) (1) h 0 Using = R J / R M and K 0 = R M / R Chan provides the following transfer function for the equivalent circuit shown in FIG.

【0029】 h(ω)=(1+h0ωτL/h0(1-K0)+ωτH+1)-1 (2) 接触領域で能動イオンチャネルのために結合部に流入する電流は、モデル回路
における受動素子に基づく電流の逆方向に流れる。測定された細胞外信号に関す
る最良のシミュレーションが図3Eに示されている。シミュレーションには次の
パラメータ、TH=CM・RJ=5μs、TL=CG・RM=1ms、h0=0.001、k0=2.6 が使用され
ている。 信号の最後の250msを除いて、この付加的な能動膜機能素子を使っ
てシミュレートされた曲線と測定された曲線はとてもよく一致している。この最
後の250msの細胞内信号は、主に細胞外信号に寄与しない細胞質内でのCa2+
オンの放出に基づいている。図5には、図3に示されたシミュレーションに使わ
れた係数とさまざまなスペクトルの伝達機能の位相差h(ω)が示されている。能
動膜機能素子の導入により低周波数でわずかに伝達率が増加し、180度移相し
ている。
H (ω) = (1 + h 0 ωτ L / h 0 (1-K 0 ) + ωτ H +1) −1 (2) Current flowing into the junction due to active ion channels in the contact area Flows in the opposite direction of the current based on the passive element in the model circuit. The best simulation for the measured extracellular signal is shown in FIG. 3E. Simulation following parameters, T H = C M · R J = 5μs, T L = C G · R M = 1ms, h 0 = 0.001, k 0 = 2.6 is used for the. Except for the last 250 ms of the signal, the curves simulated and measured using this additional active membrane functional element are in very good agreement. This last 250 ms intracellular signal is based primarily on the release of Ca 2+ ions in the cytoplasm that do not contribute to the extracellular signal. FIG. 5 shows the coefficients used in the simulation shown in FIG. 3 and the phase differences h (ω) of the transfer functions of various spectra. With the introduction of the active film functional element, the transmissivity is slightly increased at a low frequency, and the phase is shifted by 180 degrees.

【0030】 上記の信号に加えてラットの心臓の伸縮性細胞の活動電位が記録されているが
、オーバーシュートのピークはなくなっていた。図6は細胞内微小電極(A)とFET
(B)を使って同時に記録されたこれらの信号の典型的な形を示している。この場
合、細胞外信号の第一部分は、よりゆっくりの上昇時間のため振幅全体の約1/
3にしか寄与していない。第二部分はより顕著で、細胞内信号とほとんど同じく
らい長く続いている。シミュレートされた曲線は測定されたデータととてもよく
一致している(図6E)。最良のシミュレーションは、次のパラメータ、TH=CM・RJ =10μs、TL=CG・RM=10ms、h0=0.001、k0=2.5、を使って得られた。
In addition to the above signals, the action potential of the elastic cells of the rat heart was recorded, but the peak of overshoot disappeared. Figure 6 shows intracellular microelectrode (A) and FET
(B) shows a typical form of these signals recorded simultaneously. In this case, the first part of the extracellular signal will be about 1 /
3 only contributed. The second part is more pronounced and lasts almost as long as the intracellular signal. The simulated curves are in good agreement with the measured data (FIG. 6E). The best simulations were obtained with the following parameters: T H = C M R J = 10 μs, T L = C G R M = 10 ms, h 0 = 0.001, k 0 = 2.5.

【0031】 図7はこの実施例で記録された最大の信号を示している。細胞外信号の形はほ
とんど細胞内信号と一致する(図6A)。およそ300ms続いたこれらの信号の振
幅は、約25mVであった。容量性電流は無視できるもので、電流の流れは主に
比率RM/RJにより決まる。この種の信号は結合部のシール抵抗RJが結合部におけ
る膜抵抗RMの範囲内にあると仮定することにより説明できる。これはシール抵抗
RJが予想より大きい係数1000であると仮定するか、膜抵抗RMが通常の膜抵抗
に比べて小さいという事実によって説明できる。
FIG. 7 shows the maximum signal recorded in this embodiment. The shape of the extracellular signal almost coincides with the intracellular signal (FIG. 6A). The amplitude of these signals, which lasted approximately 300 ms, was about 25 mV. The capacitive current is negligible, and the current flow is mainly determined by the ratio R M / R J. Such a signal can be explained by assuming that the seal resistance R J of the coupling portion is within the range of the film resistance R M in the coupling portion. This is the seal resistance
Or R J is assumed to be the expected factor greater than 1000, it can be explained by the fact that the membrane resistance R M is smaller than ordinary membrane resistance.

【0032】 B.多地点記録 本発明の別の実施の形態によると、さまざまなトランジスタからの同時記録が
行われている。図8は4つの異なるFETにより記録された心筋細胞単層からの自
発性細胞外活動を示している。記録に使われたFETの位置が図8bに示されている
。図3に示されているように、全ての信号は形が似ている。信号の振幅は、おそ
らく結合の強さがさまざまなためそれぞれのFETで異なる。層の中の細胞間の電
気的接続のため、最も高い繰り返し率の活動電位を持つ細胞が層全体の拍動周期
を決定する。さまざまな地点での活動電位の記録間の時間遅れから、細胞間の興
奮の等方的波及を前提としてバーストパターンの発生源、方向及び速度(およそ
0.2m/s)を推定することができる。
B. Multipoint Recording According to another embodiment of the present invention, simultaneous recording from various transistors is performed. FIG. 8 shows spontaneous extracellular activity from cardiomyocyte monolayers recorded by four different FETs. The location of the FET used for recording is shown in FIG. 8b. As shown in FIG. 3, all signals are similar in shape. The signal amplitude is different for each FET, probably due to varying coupling strengths. Due to the electrical connection between the cells in the layer, the cell with the highest repetition rate action potential determines the beating cycle of the entire layer. From the time delay between the recordings of action potentials at various points, the source, direction and speed of the burst pattern (approximately
0.2 m / s).

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 ラットの心臓の伸縮性細胞からの電気的記録に使われる測定装置を示した模式
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a measuring device used for electrical recording from elastic cells of a rat heart.

【図2】 培養して4日後のラットの心臓の伸縮性細胞からとった電気的記録を示した図
であり、測定はFET(下側パターン)と細胞内微小電極(上側パターン)を使って同
時に行われている。FETの伝達特性によって決定されるソース・ドレイン間電流I DS と有効ゲート電圧VGは下側パターンに示され、挿入された微小電極によって測
定された膜電圧VMは上側パターンに示されている。
FIG. 2 shows electrical recordings taken from rat heart elastic cells 4 days after culture.
The measurement was performed using FET (lower pattern) and intracellular microelectrode (upper pattern).
Sometimes has been done. Source-drain current I determined by the transfer characteristics of the FET DS And effective gate voltage VGIs shown in the lower pattern and is measured by the inserted microelectrode.
Fixed membrane voltage VMAre shown in the upper pattern.

【図3】 微小電極(A)とFET(B)を用いて記録された図2の活動電位を拡大して示した図
である。下方のパターンは図6に示された等価回路を使ってシミュレートされた
曲線を示しており、(C)は高帯域フィルター素子のみを使用した場合、(D)は能動
膜機能素子を用いず、及び(E)は能動膜機能素子を用いた場合をそれぞれ示して
いる。
FIG. 3 is an enlarged view of the action potential of FIG. 2 recorded using a microelectrode (A) and an FET (B). The lower pattern shows a simulated curve using the equivalent circuit shown in FIG. 6, where (C) uses only the high-band filter element and (D) does not use the active membrane functional element. , And (E) show the case where an active film functional element is used, respectively.

【図4】 a)は測定された信号の説明のために等価回路構成を示した図である。このモ
デルは能動イオンチャネルゆえの電流の寄与と同様、結合部におけるゲート酸化
物の容量CGとシール抵抗RJ、膜容量CMと膜抵抗RMから成り、 b)は細胞内信号VMを加えることにより有効ゲート・ソース間電圧VJを決める
のに使われる4電極の形で示された等価回路構成を示した図である。
FIG. 4A is a diagram showing an equivalent circuit configuration for explaining a measured signal. This model consists of the gate oxide capacitance C G and the seal resistance R J , the membrane capacitance C M and the membrane resistance R M at the junction, as well as the current contribution due to the active ion channel, b) the intracellular signal V M which is a diagram showing an equivalent circuit configuration shown in the form of 4 electrodes which may be used to enable the gate-source voltage V J by adding.

【図5】 FETを使って記録された細胞外信号のモデルを作るために使われた係数とスペ
クトルの伝達機能の位相差h(ω)を示した図であり、曲線Aは高域フィルター素子
を使い、曲線Bは受動膜機能素子を含み、曲線Cは能動及び受動膜機能素子を含ん
でいる。
FIG. 5 is a diagram showing the phase difference h (ω) of a coefficient and a spectrum transfer function used to create a model of an extracellular signal recorded using a FET, and a curve A is a high-pass filter element. , Curve B includes passive membrane functional elements, and curve C includes active and passive membrane functional elements.

【図6】 細胞内微小電極(A)とFET(B)を用いて心臓の伸縮性細胞から同時にとった記録
を示した図である。下方のパターンは図4の等価回路を適用してシミュレートし
た曲線を示している(高帯域フィルター素子使用(c)、能動膜機能素子なし(D)及
び能動膜機能素子あり(E))。
FIG. 6 is a diagram showing recordings taken simultaneously from elastic cells of the heart using intracellular microelectrodes (A) and FETs (B). The lower pattern shows curves simulated by applying the equivalent circuit of FIG. 4 (using a high-band filter element (c), no active membrane functional element (D), and with an active membrane functional element (E)).

【図7】 FETを用いて心筋細胞から記録された最大の信号を示している。FIG. 7 shows the maximum signal recorded from cardiomyocytes using FET.

【図8】 a)は4つの異なるFETにより記録された心筋細胞単層からの自発性細胞外活
動を示す曲線であり、b)は記録に使用されたFETの位置を示している。
FIG. 8 a) is a curve showing spontaneous extracellular activity from a cardiomyocyte monolayer recorded by four different FETs, and b) shows the position of the FET used for recording.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty

【提出日】平成12年10月11日(2000.10.11)[Submission date] October 11, 2000 (2000.10.11)

【手続補正1】[Procedure amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction contents]

【特許請求の範囲】[Claims]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/483 G01N 33/50 Z 33/50 310Z (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU,Z A,ZW Fターム(参考) 2G045 AA40 CB01 CB17 DA80 FB05 JA01 JA07 4B029 AA21 BB11 CC08 4B063 QA05 QQ08 QR77 QR84 QS39 QX05 4C027 AA01 AA02 CC00 EE01 EE05 HH00 KK01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 33/483 G01N 33/50 Z 33/50 310Z (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY) , DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW) , ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ) , MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK , EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT , UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZWF terms (reference)

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ソース接点とドレイン接点とを含む少なくとも一つの電界効
果トランジスタと、 前記ソース接点と前記ドレイン接点との間にある前記電界効果トランジスタの
メタライズ処理されていない表面領域と接触している脊椎動物の細胞の一つ以上
の層と を含むことを特徴とするアッセンブリ。
At least one field effect transistor including a source contact and a drain contact, and in contact with an unmetallized surface area of the field effect transistor between the source and drain contacts. An assembly comprising one or more layers of vertebrate cells.
【請求項2】 前記脊椎動物の細胞が哺乳動物由来の細胞であることを特徴
とする請求項1記載のアッセンブリ。
2. The assembly according to claim 1, wherein said vertebrate cells are mammalian-derived cells.
【請求項3】 前記細胞が心筋細胞であることを特徴とする請求項1又は請
求項2記載のアッセンブリ。
3. The assembly according to claim 1, wherein said cells are cardiomyocytes.
【請求項4】 前記心筋細胞が拍動するラットの心筋細胞であることを特徴
とする請求項3記載のアッセンブリ。
4. The assembly according to claim 3, wherein said cardiomyocytes are beating rat cardiomyocytes.
【請求項5】 細胞密度が104−106個/cmの範囲にあることを特徴
とする請求項1〜4 のいずれかの項に記載のアッセンブリ。
5. The assembly according to claim 1, wherein the cell density is in a range of 10 4 -10 6 cells / cm 2 .
【請求項6】 前記電界効果トランジスタが、nまたはpチャネルのシリコン
電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかの項に記
載のアッセンブリ。
6. The assembly according to claim 1, wherein said field effect transistor is an n or p channel silicon field effect transistor.
【請求項7】 前記電界効果トランジスタが、少なくとも一つのIII-V又はI
I-V半導体ヘテロ構造 を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれかの項に記載のアッセンブリ。
7. The method according to claim 1, wherein the field-effect transistor has at least one of III-V or I-V.
The assembly according to any one of claims 1 to 6, comprising an IV semiconductor heterostructure.
【請求項8】 前記電界効果トランジスタの前記メタライズ処理されていな
い表面領域の大きさが28×9μmから10×1μmの範囲にあることを特
徴とする請求項1〜7のいずれかの項に記載 のアッセンブリ。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the size of the non-metallized surface region of the field-effect transistor is in a range of 28 × 9 μm 2 to 10 × 1 μm 2. Assembly as described in.
【請求項9】 前記メタライズ処理されていない表面領域が、各中心が一定
間隔をおいて離れているマトリクス状、特に各中心が200μmずつ離れている
4×4のマトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項6記載のアッセ
ンブリ。
9. The non-metallized surface area is arranged in a matrix in which each center is separated by a fixed distance, particularly in a 4 × 4 matrix in which each center is separated by 200 μm. 7. The assembly according to claim 6, wherein:
【請求項10】 請求項1〜9のいずれかの項に記載の前記アッセンブリと
、任意で、前記アッセンブリの記録端子で検出された電気信号を増幅する手段及
び/又は前記電気信号をモニターする手段とを含むことを特徴とする細胞外電気
生理学的記録用装置。
10. A means for amplifying said assembly according to any of claims 1 to 9 and optionally an electrical signal detected at a recording terminal of said assembly and / or means for monitoring said electrical signal. A device for extracellular electrophysiological recording, comprising:
【請求項11】 さらに脊椎動物の細胞の層において信号のバーストパター
ンを決定するために前記電気信号間の時間遅れを測定する手段を含むことを特徴
とする請求項10記載の細胞外電気生理学的記録用装置。
11. The extracellular electrophysiological device of claim 10, further comprising means for measuring a time delay between said electrical signals to determine a signal burst pattern in a layer of vertebrate cells. Recording device.
【請求項12】 製薬上有効である可能性のある合成物、或いは副作用を持
つ可能性のある合成物、或いは有毒である可能性のある合成物をテストするため
の請求項1〜9のいずれかの項に記載の前記アッセンブリ、或いは請求項10又
は請求項11記載の装置の使用。
12. The method according to claim 1, for testing a compound which may be pharmaceutically effective, has a side effect, or a compound which may be toxic. Use of the assembly according to any of the preceding claims, or the device according to claim 10 or 11.
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