综述：用于心肌细胞收缩力监测的机械匹配增强型生物传感平台

《Biosensors and Bioelectronics》：Biosensing Platforms with Enhanced Mechanical Matching for Cardiomyocyte Contractility Monitoring

本综述系统总结了心肌细胞收缩力监测生物传感平台的技术方法（如原子力显微镜AFM、阻抗电极等），重点探讨了平台与体内机械环境（如杨氏模量、细胞粘附、几何导向）的失配问题及其对药物筛选（如抗癌药、抗心律失常药）准确性的影响，并提出了增强机械匹配（如调控基质软硬度、功能化修饰、构建各向异性微结构）的未来策略。

　　

Methods for contractility measurement in current biosensing platforms

心肌细胞的收缩应变仅发生在微米级别，因此需要具有低检测限、高灵敏度或超高分辨率的传感器。现有的收缩力传感平台主要可分为基于成像的测量方法和基于电学传感的测量方法。成像方法，例如原子力显微镜（AFM）、微悬臂梁、碳纤维以及视频图像分析等，通过光学测量来量化心肌细胞的收缩功能。而电学方法，包括阻抗电极和应变传感器，则为长期监测提供了稳健且可扩展的解决方案。尽管这些技术取得了进展，但一个关键问题依然存在：体外传感平台与天然心肌细胞机械微环境之间的失配。

Mechanical Matching changes cell behaviors in drug screening

能够紧密模拟体内机械环境的生物传感平台，对于评估收缩力幅度、搏动频率以及收缩/舒张持续时间非常有用，可为临床前研究、靶点验证和早期药物开发优化提供宝贵数据。许多临床药物会诱发心肌毒性，其中抗癌药物和抗心律失常药物是两个显著的例子。机械环境的失配会改变心肌细胞的肌原纤维结构和收缩功能，从而导致药物反应数据的偏差，影响筛选的准确性。因此，提升平台的机械匹配度对于提高药物心脏安全性评价的可靠性至关重要。

Key properties for cardiomyocytes

要构建合适的体外机械环境，必须了解心肌细胞的生理组成和体内机械参数。心脏位于心包内，其收缩主要依赖于心肌细胞的同步、节律性收缩。心肌细胞嵌入在细胞外基质（ECM）中，ECM不仅提供结构支撑，还传递机械力并影响细胞行为。体内的关键机械参数包括杨氏模量（约10-30 kPa）、良好的细胞-基质粘附以及各向异性的几何结构，这些特性共同促进了心肌细胞的定向排列和高效收缩。体外平台与这些参数的差异是导致机械失配的主要原因。

Strategies for enhancing mechanical matching

心肌细胞生物传感平台的有效性关键在于细胞与其底层基质之间的机械相容性。优化细胞微环境的主要策略包括三个方面：首先是调节基质刚度，使其接近天然心肌组织，例如使用低模量水凝胶（如聚丙烯酰胺、聚二甲基硅氧烷PDMS）来替代高模量的玻璃（55 GPa）或聚合物（SU-8、聚酰亚胺PI，1-5 GPa）。其次是增强细胞-基质粘附，通过表面功能化（如O₂等离子体处理、纤连蛋白、层粘连蛋白包被）和生物活性材料（如明胶、RGD肽）来改善，但需注意表面修饰的长期稳定性。最后是引入各向异性微结构，例如微沟槽、纳米纤维等，以引导细胞定向排列和成熟，模拟体内心肌纤维的各向异性结构，从而促进同步收缩和动作电位传导。

Summary and Conclusions

尽管用于药物筛选的心肌细胞收缩力测量平台的开发已取得显著进展，但体外与体内微环境之间仍存在巨大差异。为解决这一挑战，本综述重点介绍了当前旨在增强生物传感平台机械相容性的策略。我们总结了评估心肌细胞收缩力的光学和电学方法，并提出了从软硬度、细胞粘附和各向异性微结构方面减小机械失配的策略。这些努力有望提高基于心肌细胞的药物筛选和毒性测试的准确性和预测价值。

Future Perspective

为了进一步推动仿生心肌细胞传感平台的发展，未来的工作应侧重于增强细胞培养基质的可调性和传感元件的集成。在天然心肌中，ECM的机械特性在心脏发育过程中是动态演变的。因此，设计具有时间依赖性或刺激响应性机械可调性的水凝胶，可以更好地模拟心肌细胞的动态成熟过程，并最大限度地减少机械失配。此外，将三维（3D）打印、微流控技术与传感平台相结合，以构建具有生理相关性的、大规模的心脏组织模型，将是未来的重要方向。这些先进的平台有望更真实地再现心脏的复杂功能和病理生理状态，为新药研发和疾病建模提供更强大的工具。