基于超高清CMOS微电极阵列场电位成像的人iPSC心肌细胞先进心脏毒性分析平台开发与应用

为解决传统方法难以捕捉多离子通道复杂互作及慢性心脏毒性早期表现的难题，研究人员开展超高清CMOS-MEA场电位成像研究，成功实现单细胞级电生理监测，揭示化合物特异性传导异常，并实现24小时内0.03μM阿霉素慢性毒性的早期灵敏检测，为临床前心脏安全性评价提供了机制感知型新范式。

　　

在药物研发过程中，心脏毒性始终是威胁患者安全的核心问题，尤其是药物诱导的QT间期延长和尖端扭转型室性心动过速(TdP)风险，常导致临床试验终止或药物撤市。传统评估主要依赖hERG通道抑制试验和动物模型，但这类方法存在明显局限：一方面难以全面评估涉及钠通道(Na_V)、L型钙通道(Ca_V)等多离子通道的复杂互作机制；另一方面无法有效捕捉慢性心脏毒性的早期表现。尽管综合体外致心律失常 assay(CiPA)倡议整合了多通道 assays、人诱导多能干细胞源性心肌细胞(human iPSC-derived Cardiomyocytes, hiPSC-CMs)模型和计算机模拟，但仍侧重于急性毒性评估，且对如维拉帕米、苄普地尔等多通道作用药物的临床相关性预测仍不理想。

为突破这些技术瓶颈，研究团队开发了一种基于超高清互补金属氧化物半导体微电极阵列(UHD-CMOS-MEA)的场电位成像(Field Potential Imaging, FPI)技术平台。该平台采用包含236,880个电极、活性面积达5.9×5.5 mm的传感器，电极表面覆盖率达91.9%，实现了近乎单细胞分辨率的全心肌细胞层电活动监测。研究人员借此提取了包括兴奋起源数量与空间变异性、传导速度、传播面积等高分辨率电生理参数，显著拓展了传统MEA的分析能力。

研究首先验证了FPI技术在表征基础电生理特征方面的优势：hiPSC-CMs在芯片上培养7-10天后，可记录到峰值电压达1.98±0.20 mV的场电位信号，单个心跳在约13 ms内传遍整个细胞层，平均激活电极数达115,892±50个，自发搏动频率为57.8±1.7 bpm。通过电位热图和时间延迟分析，可清晰可视化每次搏动的起始位点、传播方向和空间覆盖范围。

在药物反应检测方面，研究团队观察到化合物特异性电生理改变：异丙肾上腺素(Isoproterenol)通过β-肾上腺素能激动作用增加兴奋起源数量；美西律(Mexiletine)通过阻断钠通道降低传导速度；E-4031作为hERG通道抑制剂则显著减少传播面积并诱发早期后除极(EADs)样波形。这些变化通过时空分辨率空前的电活动映射得以直观呈现。

与传统16电极MEA系统对比，UHD-CMOS-MEA展现出显著优势：传统系统因空间分辨率不足，无法准确识别兴奋起源数量及其变异性，46.5%-78%的孔板中甚至无法计算传播面积变异系数(CV)和短期变异性(STV)。而新型平台不仅成功检测到美西律诱导的传导速度降低和传播面积减少，还捕获到苄普地尔(Bepridil)的多通道效应——该药物因同时抑制hERG、Ca_V和Na_V通道，在传统评估中常被误判为低风险。

通过系统分析65,518种参数组合，研究确定以搏动频率(Beat rate)、搏动间期(IBI)、传播面积(Area)和传导速度短期变异性(Velocity STV)为核心参数集进行主成分分析(PCA)，累计贡献率达82.8%。该分析不仅能清晰区分心脏毒性化合物与阴性对照(阿司匹林、阿莫西林)，还能实现浓度依赖性风险分级（低风险：1SD内；中风险：1-2SD；高风险：>2SD）。多变量方差分析(MANOVA)进一步证实，该平台可有效区分不同作用机制的化合物类别：单纯hERG抑制剂、Ca_V抑制剂、Na_V抑制剂以及多通道调节剂。

在慢性毒性评估中，0.03μM阿霉素(Doxorubicin)处理24小时即引起传播面积和峰值电位显著降低，0.1μM浓度下48小时出现传导速度下降和变异性增加。这些改变早于传统参数（如搏动频率）的变化，且检测灵敏度比既往报道的工程化心脏组织(EHTs)模型和深度学习形态学分析提高10倍以上。通过整合IBI、振幅、振幅STV、面积、速度、速度STV六个参数的PCA分析，成功量化了时间依赖性毒性进展，为早期预警慢性心脏损伤提供了新方法。

关键技术方法

研究采用Sony半导体解决方案公司的UHD-CMOS-MEA系统（236,880电极，采样率2kHz），在自发性搏动条件下记录hiPSC-CMs（购自FUJIFILM Cellular Dynamics）的电活动。通过自定义MATLAB算法进行峰值检测和搏动分析，提取17项电生理参数。免疫细胞化学使用MLC-2A和MLC-2V抗体鉴定细胞类型。药物测试采用累积浓度给药方式，数据采集在37°C、5% CO₂环境下进行。

研究结果

兴奋起源数量增加反映异丙肾上腺素的致心律失常特性

通过分析峰值时间热图，发现异丙肾上腺素(30 nM)使每搏兴奋起源数从单一定位增至1.61±0.02个，表明β-肾上腺素能激动可诱导多灶性兴奋，模拟临床中早期/延迟后除极(EADs/DADs)的致心律失常机制。

传导速度降低揭示美西律的钠通道阻断效应

10μM美西律使传导速度从0.147±0.004 m/s降至0.109±0.009 m/s，同时传播面积减少，反映钠离子内流受限导致的细胞间电传导延迟。

传播面积缩小与EAD样波形提示E-4031的hERG抑制特性

100 nM E-4031使传播面积从17.98±1.78 mm²锐减至6.51±1.51 mm²，并出现局部传导阻滞和EAD样波形，直观呈现hERG阻断导致的传导异常。

多参数PCA实现机制分类与风险分级

基于四参数PCA模型成功将苄普地尔等多通道调节剂准确归类，其坐标位置反映各通道IC₅₀比值差异（如奎尼丁hERG:1389%, Na_V:68%, Ca_V:156%），证明即使对于多靶点化合物，仍可识别其主要作用机制。

讨论与意义

该研究建立的UHD-CMOS-MEA平台首次实现了对hiPSC-CMs电生理活动的全网络、单细胞级解析，开创性地提出兴奋起源数、传播面积等空间动力学参数，为心脏毒性评估提供了三大核心价值：其一，突破传统MEA的空间限制，能捕捉多离子通道药物的复杂互作效应，解决如苄普地尔等药物的误判难题；其二，实现慢性毒性的超早期预警（0.03μM阿霉素24小时检测），灵敏度超越现有EHTs模型和形态学方法；其三，通过多参数PCA分析兼具风险分级与机制解析能力，为药物优化和脱靶效应预测提供新工具。

尽管当前研究采用自发搏动模式可能引入频率依赖性变异，但平台正在升级电刺激功能以完善控制。这项技术将推动心脏安全评价从单纯的hERG风险评估转向多通道、多参数的机制感知型新范式，最终提升临床前预测的准确性和转化价值。