Transgenic methods for direct reprogramming of somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) are effective in cell culture systems but ultimately limit the utility of iPSCs due to concerns of mutagenesis and tumor formation. Recent studies have suggested that some transgenes can be eliminated by using small molecules as an alternative to transgenic methods of iPSC generation. We developed a high throughput platform for applying complex dynamic mechanical forces to cultured cells. Using this system, we screened for optimized conditions to stimulate the activation of Oct-4 and other transcription factors to prime the development of pluripotency in mouse fibroblasts. Using high throughput mechanobiological screening assays, we identified small molecules that can synergistically enhance the priming of pluripotency of mouse fibroblasts in combination with mechanical loading. Taken together, our findings demonstrate the ability of mechanical forces to induce reprograming factors and support that biophysical conditioning can act cooperatively with small molecules to priming the induction pluripotency in somatic cells.

Stem cell therapies have great promise for revolutionizing treatments for cardiovascular disease and other disorders but have not yet achieved their potential due to poor efficacy and heterogeneity in patient response. Here, we used a novel high throughput screening system to optimize the conditioning of mesenchymal stem cells using a combinatorial set of biochemical factors, pharmacological inhibitors and biomechanical forces. Our studies revealed that a combination of specific kinase inhibitors and a complex mechanical strain waveform dramatically increased the population of mesenchymal stem cells that express markers for both pericytes and endothelial cells. These mechanically and pharmacologically conditioned mesenchymal stem cells had superior properties in enhancing endothelial tube formation, production of angiogenic growth factors and induction of angiogenesis following implantation. Overall, our work supports that combinatorial optimization of mechanical conditioning and pharmacological treatments can significantly enhance the regenerative properties of mesenchymal stem cells.

The combination of in vivo extracellular recording and genetic-engineering-assisted optical stimulation is a powerful tool for the study of neuronal circuits. Precise analysis of complex neural circuits requires high-density integration of multiple cellular-size light sources and recording electrodes. However, high-density integration inevitably introduces stimulation artifact. We present minimal-stimulation-artifact (miniSTAR) µLED optoelectrodes that enable effective elimination of stimulation artifact. A multi-metal-layer structure with a shielding layer effectively suppresses capacitive coupling of stimulation signals. A heavily-boron-doped silicon substrate silences the photovoltaic effect induced from LED illumination. With transient stimulation pulse shaping, we reduced stimulation artifact on miniSTAR µLED optoelectrodes to below 50 µVpp, much smaller than a typical spike detection threshold, at optical stimulation of > 50 mW mm-2 irradiance. We demonstrated high-temporal resolution (< 1 ms) opto-electrophysiology without any artifact-induced signal quality degradation during in vivo experiments. MiniSTAR µLED optoelectrodes will facilitate functional mapping of local circuits and discoveries in the brain.

Abstract Objective: Dorsal root ganglia (DRG) are promising sites for recording sensory activity. Current technologies for DRG recording are stiff and typically do not have sufficient site density for high-fidelity neural data techniques. Approach: In acute experiments, we demonstrate single-unit neural recordings in sacral DRG of anesthetized felines using a 4.5 μm-thick, high-density flexible polyimide microelectrode array with 60 sites and 30-40 μm site spacing. We delivered arrays into DRG with ultrananocrystalline diamond shuttles designed for high stiffness affording a smaller footprint. We recorded neural activity during sensory activation, including cutaneous brushing and bladder filling, as well as during electrical stimulation of the pudendal nerve and anal sphincter. We used specialized neural signal analysis software to sort densely packed neural signals. Main results: We successfully delivered arrays in five of six experiments and recorded single-unit sensory activity in four experiments. The median neural signal amplitude was 55 μV peak-to-peak and the maximum unique units recorded at one array position was 260, with 157 driven by sensory or electrical stimulation. In one experiment, we used the neural analysis software to track eight sorted single units as the array was retracted ~500 μm. Significance: This study is the first demonstration of ultrathin, flexible, high-density electronics delivered into DRG, with capabilities for recording and tracking sensory information that are a significant improvement over conventional DRG interfaces.

Abstract Recent neuroscientific research seeks to comprehend the sophisticated deep-brain networks of neural circuits consisting of large scale neuronal ensembles across multiple brain regions. An ideal way to unveil the complex connectome might be stimulating individual neurons with high spatial resolution in a broad range of brain, while seamlessly monitoring the correspondent neuronal activities. Optogenetics is known as a key technology to enable such a goal thanks to its high spatial and temporal selectivity in neuromodulation. Existing silicon probe technologies have been able to partially achieve such a goal by recording broad region of brain activities through multiple electrodes per shank, but those cannot complete perfect coverage due to the limited channel counts for the optogenetic stimulation. Here, we present an high-channel-count optogenetic system with simultaneous 256 recoding and 128 optogenetic stimulation sites, exhibiting the highest channel density ever reported, enabled by a flexible polyimide cable-based hybrid-integration of a low-stimulation-artifact micro-LED (µLED) opto-electrode with a low-power and -noise, area-efficient CMOS interfacing integrated-circuit (IC). The presented optogenetic system provides 256-neuron-size electrodes (11 × 15 µm 2 ) with a 40 µm inter-electrode pitch for high spatial oversampling in recording and 128-soma-size µLEDs (8 × 11 µm 2 ) with a 20 µm inter-LED pitch for single-cell resolution in stimulation, resulting in a vertical span of 640 µm and a horizontal span of 2,100 µm with a total 8 shanks. For versatility in optogenetics-based experiments from small rodents to primates with user-preferable settings, the system base that provides programmability of recording and stimulation parameters and rest of signal processing, such as filtering, digitization, and data transmission including serial peripheral interface (SPI) has also been designed within small area of 23.8 × 28.8 mm 2 with only 3.5-gram weight, resulting in the highest channel density both in size (0.56 channels/mm 2 ) and weight (109.71 channels/gram) among the state-of-the-art optogenetics-based neuromodulation systems. To verify the system operation in vivo , a compact optogenetics headstage has been also fabricated. Using the prepared optogenetic headstage, 169 isolated neurons have been observed with various stimulation intensities. The results offered in this article indicate that the presented hybrid integrated ultrahigh-density, high-channel-count headstage can be used to realize the massive-scale in-depth brain studies with optogenetics.