In Vitro Organoid Electrophysiology Recording Platform : Integrating Hydrodynamic Trapping Microfluidics, Microelectrode Arrays, Front-end Electronics, and Offline Signal Processing for Dynamic Monitoring of Extracellular Activities in Pancreatic Islets

Type I diabetes (T1D) is an autoimmune disorder affecting the insulin-producing beta cells of the islets of Langerhans, disrupting the glucose homeostasis regulatory system. Nowadays, islet transplantation is one of the anticipated treatments to revive the endocrinal function by injecting isolated pancreatic islets from a deceased donor into the patient’s liver’s portal vein. Regardless of the promising aspect, the main issue prior to transplantation is the inconsistent quality and low percentage of functioning islets post-transplantation. Therefore, a rapid islet functionality test with minimal complicated operation becomes necessary to tackle the pre-transplantation issue. This project revolves around the end-to-end development of an electrophysiology recording platform to monitor extracellular activities in murine pancreatic islets. A microfluidic perfusion system with hydrodynamic trapping is integrated with planar gold microelectrode arrays (MEA) as the preliminary device directly interfacing the islets. The design and fabrication of both the microfluidics and electrode devices, as well as in-house front-end electronics with analog filters and amplifiers tailored to capture the microvolt-scale signals, covered most of the project. Offline digital processing was performed in Python to analyse the recorded signals further. As a result, the complete platform and recording setup have been fully integrated, with successful islet trapping on top of electrodes and front-end electronics with 220x voltage gain and 0.1-3000 Hz bandwidth to record extracellular electrophysiology signals from intact pancreatic islets. While the current preliminary electrophysiology recordings are still quite inconclusive and require further validation, the project serves as a starting point in developing devices for extracellular electrophysiology measurement, which has not commonly been investigated specifically in pancreatic islets, and enables further exploration in the field.
Typ I-diabetes (T1D) är en autoimmun sjukdom som påverkar de insulinproducerande betacellerna på de Langerhanska öarna och stör det reglerande systemet för glukoshomeostas. Nuförtiden är ötransplantation en av de förväntade behandlingarna för att återuppliva den endokrina funktionen genom att injicera isolerade pankreasöar från en avliden donator i patientens levers portven. Oavsett den lovande aspekten är huvudfrågan före transplantation den inkonsekventa kvaliteten och låga andelen fungerande öar efter transplantationen. Därför blir ett snabbt funktionstest av öar med minimalt komplicerad operation nödvändigt för att ta itu med problemet före transplantation. Detta projekt kretsar kring end-to-end utveckling av en elektrofysiologisk inspelningsplattform för att övervaka extracellulära aktiviteter i murina pankreatiska öar. Ett mikrofluidiskt perfusionssystem med hydrodynamisk infångning är integrerat med plana guldmikroelektrodarrayer (MEA) som den preliminära enheten som direkt gränsar till öarna. Designen och tillverkningen av både mikrofluidik och elektrodenheter, såväl som intern front-end-elektronik med analoga filter och förstärkare skräddarsydda för att fånga signalerna i mikrovoltskala, täckte större delen av projektet. Offline digital bearbetning utfördes i Python för att analysera de inspelade signalerna ytterligare. Som ett resultat har den kompletta plattformen och inspelningsuppsättningen integrerats helt, med lyckad ö-infångning ovanpå elektroder och front-end-elektronik med 220x spänningsförstärkning och 0,1-3000 Hz för att registrera extracellulära elektrofysiologiska signaler från intakta pankreatiska öar. Medan de nuvarande preliminära elektrofysiologiska inspelningarna fortfarande är ganska ofullständiga och kräver ytterligare validering, fungerar projektet som en utgångspunkt för att utveckla enheter för extracellulär elektrofysiologisk mätning, som inte vanligtvis har undersökts specifikt i pankreasöar, och möjliggör ytterligare utforskning in