Non-invasive recording of cardiomyocytes' intracellular action potential via electrolyte-gated organic transistors

Action potentials (APs) are fundamental to excitable cells such as cardiac cells, neurons, and skeletal muscle cells, encoding critical information about cellular physiology. Precise APs recording is essential for disease modelling, drug testing, and diagnostics. The gold standard patch clamp technique provides highly accurate AP recordings but has several limitations: it is inherently invasive, often causing cell damage and death, low-throughput, and technically complex. Current commercial non-invasive alternatives, such as microelectrode arrays (MEAs), can only record the derivative of APs (field potentials). Achieving intracellular-like recordings with MEAs requires combining them with opto- or electroporation techniques. This thesis addresses these limitations by exploring organic transistors as a novel, non-invasive, and simple platform for the recording of APs from human-induced Pluripotent Stem Cell-derived Cardiomyocytes (hiPSC-CMs). Transistors, whose channel is comprised of three different organic semiconductors, were coupled to cardiomyocyte monolayers to perform APs recording. Results show that, depending on the electrical coupling at the interface between the cell membrane and the transistor channel, the recorded signals exhibit either AP or field potential morphology. Two of the three investigated semiconductors successfully enabled AP recordings with high signal fidelity and an excellent signal-to-noise ratio. The validity of this approach was confirmed by direct comparison with patch clamp recordings and commercial MEAs under similar experimental conditions. Furthermore, the platform demonstrated real-time monitoring of drug-induced effects on cardiomyocyte APs, detecting subtle waveform oscillations associated with cardiac arrhythmias. These findings establish organic transistors as a promising, scalable, and cost-effective alternative to conventional intracellular recording methods. By enabling high-throughput, non-invasive, and physiologically relevant electrophysiological recordings, this research advances cardiac disease modelling, drug screening, and bioelectronic applications. The proposed platform represents a transformative step toward simplified, label-free AP recordings, offering significant benefits to electrophysiologists and biomedical researchers.

I potenziali d'azione (APs) sono fondamentali per le cellule eccitabili, come le cellule cardiache, i neuroni e le cellule muscolari scheletriche, in quanto codificano informazioni cruciali sulla fisiologia cellulare. La registrazione precisa degli APs è essenziale per la modellizzazione delle malattie, i test farmacologici e la diagnostica. La tecnica patch clamp, considerata il gold standard, fornisce registrazioni altamente accurate degli APs, ma presenta diverse limitazioni: è intrinsecamente invasiva, causando spesso danni o morte cellulare, ha basso rendimento ed è tecnicamente complessa. Le attuali alternative commerciali non invasive, come i microelectrode arrays (MEAs), possono registrare solo la derivata degli APs (i potenziali di campo). Per ottenere registrazioni degli APs con i MEAs, è necessario combinarli a tecniche di opto- o elettroporazione. Questa tesi affronta tali limitazioni esplorando l’uso dei transistor organici come una piattaforma innovativa, non invasiva e semplice per la registrazione degli AP nei cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti umane (hiPSC-CM). Transistor con un canale costituito da tre diversi semiconduttori organici sono stati accoppiati a monostrati di cardiomiociti per la registrazione degli APs. I risultati mostrano che, a seconda dell'accoppiamento elettrico all’interfaccia tra la membrana cellulare e il canale del transistor, i segnali registrati presentano una morfologia di APs o di potenziali di campo. Due dei tre semiconduttori analizzati hanno permesso con successo la registrazione degli APs con un'elevata fedeltà del segnale e un eccellente rapporto segnale-rumore. La validità di questo approccio è stata confermata mediante confronto diretto con le registrazioni di patch clamp e di MEAs commerciali, in condizioni sperimentali analoghe. Inoltre, la piattaforma ha dimostrato la capacità di monitorare in tempo reale gli effetti indotti dai farmaci sugli APs dei cardiomiociti, rilevando sottili oscillazioni della forma d'onda associate ad aritmie cardiache. Questi risultati confermano il potenziale dei transistor organici come alternativa promettente, scalabile e conveniente ai metodi convenzionali di registrazione intracellulare. Consentendo registrazioni elettrofisiologiche ad alto rendimento, non invasive e fisiologicamente rilevanti, questa ricerca contribuisce all’avanzamento della modellizzazione delle malattie cardiache, dello screening farmacologico e delle applicazioni bioelettroniche. La piattaforma proposta rappresenta un passo innovativo verso la semplificazione delle registrazioni intracellulari degli APs senza etichettatura, offrendo vantaggi significativi agli elettrofisiologi e ai ricercatori biomedici.