HCells高通量多模態(tài)心肌細(xì)胞功能檢測系統(tǒng)是一套集仿生培養(yǎng)、動態(tài)監(jiān)測與定量分析于一體的專業(yè)研究平臺。系統(tǒng)通過三大核心模塊的協(xié)同工作，實現(xiàn)對心肌細(xì)胞興奮-收縮耦聯(lián)過程的多參數(shù)定量檢測：可調(diào)控剛度的水凝膠培養(yǎng)模塊可模擬從正常到病變心肌組織的剛性環(huán)境；高分辨率顯微成像模塊實時捕捉細(xì)胞在動態(tài)培養(yǎng)過程中的形態(tài)與功能變化；高通量數(shù)據(jù)采集和自動化分析模塊則對獲取的牽引力、鈣瞬變和肌節(jié)運動數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘與關(guān)聯(lián)分析。平臺采用靈活的模塊化架構(gòu)設(shè)計，用戶可根據(jù)具體研究需求進(jìn)行個性化配置。除基礎(chǔ)模塊外，可選配高精度電刺激系統(tǒng)模擬不同電生理狀態(tài)、溫控孵育系統(tǒng)維持細(xì)胞活性，或離體灌流裝置實現(xiàn)更接近生理條件的研究。這種可擴(kuò)展的設(shè)計理念使系統(tǒng)能夠適應(yīng)從基礎(chǔ)機(jī)制探索到藥物篩選等不同研究場景的需求，為心血管疾病研究、藥物安全性評價及再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供高度定制化的解決方案。
HCells系統(tǒng)的圖案化水凝膠3D培養(yǎng)模塊通過仿生工程構(gòu)建了高度擬真的心肌細(xì)胞微環(huán)境。基于可調(diào)控的水凝膠材料體系，該模塊能夠精確模擬心肌組織從生理到病理狀態(tài)的力學(xué)特性，彈性模量可在2-50kPa范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。其三維微結(jié)構(gòu)設(shè)計模擬天然心肌組織的定向排布特征，結(jié)合優(yōu)化的生物界面特性，為心肌細(xì)胞提供理想的生長環(huán)境。這種仿生培養(yǎng)體系不僅能長期維持細(xì)胞功能，更能真實再現(xiàn)心肌細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)相互作用，為心臟疾病機(jī)制研究和新藥開發(fā)提供可靠的體外實驗平臺。
HCells系統(tǒng)集成多模態(tài)顯微成像解決方案，采用科研級顯微鏡平臺與高性能科學(xué)相機(jī)組合，為心肌細(xì)胞功能研究提供可靠的觀測能力。該系統(tǒng)可實現(xiàn)細(xì)胞層面的高分辨率成像，支持對心肌細(xì)胞收縮動態(tài)、鈣信號傳導(dǎo)等關(guān)鍵生理過程的觀測分析。通過優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)與圖像采集方案，該系統(tǒng)能夠清晰捕捉心肌細(xì)胞在興奮-收縮耦聯(lián)過程中的形態(tài)與功能變化，為相關(guān)機(jī)制研究提供重要的實驗數(shù)據(jù)支持。
HCells系統(tǒng)自動化數(shù)據(jù)采集和分析模塊是專為心肌細(xì)胞功能研究開發(fā)的新一代智能分析平臺，集成了前沿的圖像處理技術(shù)和人工智能算法。該模塊通過高精度的運動追蹤技術(shù)，能夠全面解析心肌細(xì)胞的力學(xué)特性變化，包括收縮力動態(tài)、位移特征等關(guān)鍵參數(shù)?；谥悄芑膱D像識別技術(shù)，模塊可自動捕捉并量化鈣信號傳導(dǎo)過程與肌節(jié)運動模式，實現(xiàn)多維度功能參數(shù)的同步監(jiān)測與綜合分析。模塊采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法，能夠根據(jù)不同實驗條件自動優(yōu)化分析流程，確保數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。通過與HCells系統(tǒng)硬件平臺的無縫對接，構(gòu)建了從實時數(shù)據(jù)采集、智能分析到結(jié)果輸出的全流程解決方案。系統(tǒng)支持大數(shù)據(jù)量的并行處理，顯著提升了科研效率，同時提供直觀的可視化界面，便于研究人員深入分析實驗結(jié)果。該模塊的智能化分析能力為心肌細(xì)胞功能研究提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，特別適用于藥物心臟安全性評估、疾病機(jī)制研究以及個性化醫(yī)療等前沿領(lǐng)域。
HCells系統(tǒng)提供專業(yè)化的選配模塊，支持根據(jù)實驗需求靈活擴(kuò)展。可選配高精度電刺激模塊，實現(xiàn)心肌細(xì)胞電生理特性的精準(zhǔn)調(diào)控；恒溫孵育模塊為長時間實驗提供穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境；改良版Langendorff離體心臟灌流系統(tǒng)則可模擬在體心臟的生理狀態(tài)。系統(tǒng)還支持?jǐn)U展多模態(tài)成像組件等專業(yè)設(shè)備，用戶可自由組合構(gòu)建個性化實驗平臺。這種模塊化設(shè)計使HCells系統(tǒng)能適應(yīng)從基礎(chǔ)研究到藥物開發(fā)等不同需求，為心血管研究提供全面的技術(shù)支持。
本研究展示了現(xiàn)代心肌細(xì)胞功能分析平臺在遺傳性心肌病機(jī)制研究中的強(qiáng)大應(yīng)用價值。研究人員將4例攜帶GATA4-G296S突變的先天性心臟病患者和4例健康對照的皮膚成纖維細(xì)胞重編程為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs），并在模擬人體心肌微環(huán)境（10kPa剛度）的條件下將其分化為心肌細(xì)胞（iPSC-CMs）。通過高精度心肌細(xì)胞功能分析平臺的多模態(tài)檢測技術(shù)，研究人員不僅定量評估了心肌細(xì)胞的收縮力學(xué)特性，還同步監(jiān)測了鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)動態(tài)，實現(xiàn)了對興奮-收縮耦聯(lián)全過程的系統(tǒng)分析。研究結(jié)果顯示，GATA4-G296S突變導(dǎo)致心肌細(xì)胞收縮力顯著降低約35%，鈣瞬變幅值下降42%，并伴有明顯的電-機(jī)械耦聯(lián)效率受損。這些發(fā)現(xiàn)不僅揭示了GATA4突變導(dǎo)致心臟發(fā)育缺陷和心肌功能障礙的分子機(jī)制，更凸顯了現(xiàn)代心肌細(xì)胞功能分析平臺在基礎(chǔ)研究與臨床轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵作用——其高靈敏度、多參數(shù)同步檢測能力可精準(zhǔn)捕捉心肌細(xì)胞的細(xì)微功能異常，為遺傳性心臟疾病的機(jī)制解析、藥物篩選和個性化治療提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。該研究成果已發(fā)表于《Cell》期刊，為后續(xù)研究建立了重要的方法學(xué)參考。
在這項針對肥厚型心肌病致病機(jī)制的重要研究中，研究人員采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)在hiPSC中精準(zhǔn)引入了MYH7基因的P710R突變，成功建立了疾病模型。通過細(xì)胞力學(xué)分析技術(shù)，研究團(tuán)隊系統(tǒng)評估了該突變對心肌細(xì)胞機(jī)械功能的全面影響。實驗數(shù)據(jù)明確顯示，攜帶P710R突變的hiPSC-CMs表現(xiàn)出顯著的力學(xué)功能異常：不僅產(chǎn)生的峰值收縮力較野生型細(xì)胞提高了約50%，收縮持續(xù)時間也明顯延長了30-40%。值得注意的是，即便在將收縮力標(biāo)準(zhǔn)化為細(xì)胞面積后，這種力學(xué)增強(qiáng)效應(yīng)仍然顯著存在，表明突變直接影響了心肌細(xì)胞的內(nèi)在收縮特性。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)P710R突變導(dǎo)致心肌細(xì)胞尺寸顯著增大，這一表型與臨床肥厚型心肌病的病理特征高度一致。這些發(fā)現(xiàn)不僅證實了MYH7突變通過改變心肌細(xì)胞力學(xué)特性參與疾病發(fā)生，也凸顯了細(xì)胞力學(xué)分析在心血管疾病研究中的關(guān)鍵價值。該研究所采用的定量化分析平臺能夠精確測量心肌細(xì)胞的動態(tài)收縮力、收縮-舒張動力學(xué)以及形態(tài)學(xué)參數(shù)，為揭示基因突變?nèi)绾斡绊懶募〖?xì)胞機(jī)械功能提供了可靠的研究手段。這種基于hiPSC-CMs的力學(xué)功能分析體系，不僅適用于致病機(jī)制研究，還可為心肌病藥物篩選和療效評估提供重要的技術(shù)支撐，展現(xiàn)出在心血管研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。
在這項研究中，研究人員采用牽引力顯微鏡（TFM）技術(shù)系統(tǒng)評估了氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）對氣道平滑肌細(xì)胞（ASMCs）收縮功能的動態(tài)影響。實驗結(jié)果表明，低濃度（0.1 μg/mL）的ZnO NPs暴露可顯著增強(qiáng)ASMCs的收縮力，而隨著濃度升高，收縮力呈現(xiàn)劑量依賴性下降趨勢。這種雙相效應(yīng)提示ZnO NPs可能通過改變細(xì)胞骨架重組或鈣信號通路來調(diào)節(jié)平滑肌的機(jī)械響應(yīng)。該研究所采用的細(xì)胞力學(xué)分析技術(shù)能夠精確量化納米材料暴露下ASMCs的實時收縮力變化，為評估工程納米顆粒的呼吸系統(tǒng)生物力學(xué)毒性提供了可靠的研究手段。這種基于活細(xì)胞力學(xué)檢測的分析體系，不僅適用于納米顆粒安全評估，還可用于研究空氣污染物、藥物或基因修飾對氣道平滑肌功能的調(diào)控機(jī)制，為呼吸系統(tǒng)疾病研究和藥物開發(fā)提供重要的技術(shù)支撐。
在這項針對吸煙相關(guān)肺血管病變的研究中，研究人員通過牽引力顯微鏡（TFM）技術(shù)系統(tǒng)評估了香煙煙霧提取物（CSE）對肺動脈平滑肌細(xì)胞（PASMCs）收縮功能的直接影響。實驗數(shù)據(jù)表明，CSE暴露顯著降低了PASMCs的收縮力生成能力，這一發(fā)現(xiàn)為解釋吸煙導(dǎo)致的肺血管功能異常提供了重要的力學(xué)機(jī)制依據(jù)。該研究采用的細(xì)胞力學(xué)分析技術(shù)能夠精確量化環(huán)境刺激（如香煙煙霧）對血管平滑肌機(jī)械功能的動態(tài)影響，為研究COPD等呼吸系統(tǒng)疾病的血管重塑機(jī)制提供了可靠的研究手段。這種基于活細(xì)胞力學(xué)檢測的分析體系，不僅適用于評估吸煙對肺循環(huán)系統(tǒng)的病理影響，還可用于研究空氣污染物、藥物干預(yù)或基因修飾對血管平滑肌功能的調(diào)控作用，為呼吸-循環(huán)系統(tǒng)疾病的機(jī)制研究和治療策略開發(fā)提供了重要的技術(shù)支撐。
在這項關(guān)于近視發(fā)病機(jī)制的重要研究中，研究人員利用牽引力顯微鏡（TFM）技術(shù)系統(tǒng)研究了近視發(fā)展過程中角膜細(xì)胞力學(xué)特性的動態(tài)變化。通過建立經(jīng)典近視模型，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)近視狀態(tài)下角膜細(xì)胞產(chǎn)生的牽引力顯著高于正常細(xì)胞，而當(dāng)近視狀態(tài)恢復(fù)后，這種力學(xué)異常也隨之消失，恢復(fù)到正常水平。這一突破性發(fā)現(xiàn)揭示了角膜細(xì)胞力學(xué)特性改變與近視發(fā)展的直接關(guān)聯(lián)。該研究所采用的細(xì)胞力學(xué)分析技術(shù)能夠精確量化角膜細(xì)胞在不同生理病理狀態(tài)下的牽引力變化，為研究近視等眼科疾病的發(fā)病機(jī)制提供了全新的研究視角。這種基于活細(xì)胞力學(xué)檢測的分析體系具有以下突出優(yōu)勢：1）可動態(tài)監(jiān)測疾病發(fā)展過程中細(xì)胞力學(xué)特性的演變；2）能靈敏捕捉疾病治療后的細(xì)胞功能恢復(fù)情況；3）為眼科疾病的早期診斷和治療效果評估提供客觀的力學(xué)指標(biāo)。這種技術(shù)平臺不僅適用于近視機(jī)制研究，還可廣泛應(yīng)用于青光眼、圓錐角膜等其他眼科疾病的病理機(jī)制探索和藥物篩選。
在這項關(guān)于中性粒細(xì)胞遷移機(jī)制的重要研究中，研究人員系統(tǒng)探究了基質(zhì)剛度對中性粒細(xì)胞力學(xué)行為的影響。通過細(xì)胞力學(xué)分析技術(shù)，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)中性粒細(xì)胞在不同硬度基質(zhì)上展現(xiàn)出顯著差異的力學(xué)特性和遷移模式：在較硬基質(zhì)上，細(xì)胞產(chǎn)生更大的牽引力，移動速度較慢但方向更持久；而在較軟基質(zhì)上，細(xì)胞移動更快但方向變化更頻繁。值得注意的是，研究還揭示了中性粒細(xì)胞牽引力的空間分布特征，即牽引力始終位于細(xì)胞后部，這一發(fā)現(xiàn)為理解免疫細(xì)胞遷移的力學(xué)機(jī)制提供了新的見解。該研究采用的細(xì)胞力學(xué)分析平臺能夠精確量化中性粒細(xì)胞在復(fù)雜微環(huán)境中的三維力學(xué)行為，包括遷移軌跡、速度、方向持久性以及牽引力分布等關(guān)鍵參數(shù)。這種高精度的力學(xué)檢測技術(shù)具有以下突出優(yōu)勢：1）可實時監(jiān)測細(xì)胞在模擬生理環(huán)境中的動態(tài)力學(xué)響應(yīng)；2）能準(zhǔn)確解析細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)的力學(xué)相互作用；3）為研究免疫細(xì)胞遷移的調(diào)控機(jī)制提供定量化的研究手段。這種技術(shù)平臺不僅適用于中性粒細(xì)胞研究，還可廣泛應(yīng)用于其他免疫細(xì)胞的遷移機(jī)制探索，為炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答等生理病理過程的深入研究提供重要的技術(shù)支撐。
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