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为解决传统刺激方法的局限，广东医学实验动物中心研究人员开展心脏细胞机械刺激研究，发现机械探针可激活静止细胞并诱导相邻细胞同步激活，为心血管研究提供新策略。
一、研究背景
心脏，作为人体的 “生命引擎”，一刻不停地跳动，为全身输送血液，维持生命活动的正常运转。这一强大的泵血功能，依赖于心脏细胞间高度协调的收缩。在正常生理状态下，心脏细胞就像训练有素的团队，通过自发的电生理活动和细胞间信号传导，紧密合作，确保心脏整体能同步收缩和舒张。然而，一旦心脏细胞的这种协调机制出现故障，各种心血管疾病便可能找上门来，威胁人类健康。
深入了解心脏细胞跳动的调控机制，对于攻克心血管疾病至关重要。在体内，窦房结细胞会通过自然的细胞间通讯，向心房肌细胞传递有节律的生物电信号，调节其跳动，就像给心脏的 “乐团” 定好了节奏。要是能在体外复制这种 “细胞调节细胞” 的模式，无疑能为研究和治疗心血管疾病开辟新的道路。
可惜的是，传统的刺激方法，如电刺激、药物刺激和光遗传学技术，都存在一定的缺陷。它们产生的刺激场往往是弥散的，会影响到周围的细胞，难以实现精准调控。而机械刺激虽然具有空间精确性，但现有的方法，比如拉伸基质或施加剪切力，在操作过程中可能会改变细胞的微环境，干扰目标细胞的正常活动，就像在精密的仪器上进行粗暴的调试，不仅达不到预期效果，还可能适得其反。因此，开发一种既能精准调控，又不破坏细胞正常环境的心脏细胞调节方法，成为了科研人员亟待解决的难题。
为了突破这一困境，广东医学实验动物中心的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们试图通过机械刺激，在体外模拟体内窦房结细胞调节心房肌细胞的过程，探索心脏细胞跳动调控的新机制，为心血管疾病的研究和治疗提供新的思路和方法。
二、研究方法
研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- 细胞培养技术：从 1 - 2 天大的 Sprague - Dawley 大鼠中分离出原代心脏细胞，并将其培养在 2D 基质上。通过控制细胞接种密度，筛选出静止细胞（3 分钟内无自发跳动）用于后续实验。
- 微操纵平台：自主开发了用于心脏细胞机械刺激的微纳操纵平台。该平台由倒置光学显微镜、电动 X - Y 台、相机、微操纵器和机械探针等组成，可实现对单个心脏细胞的精准机械刺激。
- 运动行为分析：利用帧差法在 MATLAB 环境中对心脏细胞的运动行为进行定量分析，以此来判断细胞的激活状态和运动特征。
- 钙成像技术：使用 Fluo - 4 钙离子荧光探针监测细胞内游离钙离子的变化，从而揭示细胞在机械刺激过程中的电生理活动和信号传导机制。
三、研究结果
- 机械探针成为心脏细胞外部激活装置：研究人员利用微操纵平台上的机械探针，对选定的静止心脏细胞施加机械刺激。实验发现，当直径 5μm 的玻璃探针以 5μm/s 的速度接触并挤压细胞，使细胞产生一定变形后，静止细胞开始出现明显的跳动行为变化。通过对细胞轮廓平均位移的监测发现，当探针刺激细胞到一定程度（12 - 14 秒）时，细胞开始跳动，随后在不同阶段呈现出不同的跳动特征。
机械刺激的细胞表现出两种表型：有自发跳动行为的响应表型和无自发跳动行为的非响应表型。响应表型又分为典型振荡响应（细胞开始周期性收缩和舒张）和收缩响应（细胞仅收缩一次）。统计结果显示，细胞的激活率达到 73.3%（22/30）。进一步研究发现，细胞激活的机械阈值与变形幅度有关，当探针诱导的变形达到细胞直径的 5 - 20%（0.5 - 4μm）时，细胞出现响应表型，较小变形（5 - 10%）多诱导振荡响应，较大变形（>20%）则可能导致收缩响应或细胞不可逆损伤。此外，对照实验和重复刺激实验表明，该激活过程并非自发产生，且细胞在刺激后仍保持较高的活力。这一系列结果表明，机械探针可作为一种精准、低损伤的心脏细胞激活装置。2. 机械激活的心脏细胞可激活相邻细胞：研究人员选取空间相邻（<100μm）的心脏细胞对进行实验，对其中一个静止细胞（激活细胞）施加机械刺激，而探针不与相邻的目标细胞直接接触。结果发现，当激活细胞受到机械刺激（1.37 秒）后，相邻的目标细胞能在极短时间内（<0.1 秒延迟）做出快速响应并实现完全激活，激活细胞的振荡和收缩响应都能成功传递给目标细胞。在 21 组实验中，16 个目标细胞被间接激活，激活率为 76.2%（16/21）。
进一步的互补实验证实，信号传递依赖于完整的细胞连接，空间相邻但未耦合的细胞对以及连接被切断的耦合细胞对都无法实现激活信号的传递。钙成像结果显示，机械刺激会使激活细胞内钙离子快速流入，并通过细胞连接传递到目标细胞，这表明机械刺激通过机电反馈机制，将激活细胞转变为 “生物电源”，实现对相邻细胞的靶向调控。这种 “细胞激活细胞” 的模式在体外再现了心脏的自然协调过程，避免了传统刺激方法的弊端，为研究和调控细胞间通讯提供了新策略。3. 钙成像揭示 “细胞激活细胞” 模式的信号传导机制：钙成像实验中，研究人员首先观察到未受刺激的自发活动细胞呈现出分级钙释放模式，即 “主导细胞” 会引发相邻细胞依次出现钙瞬变，这反映了培养细胞间预先存在的生物电耦合。
为验证机械刺激能否人工建立这种主导关系，研究人员选取了基线钙活动最低的相邻细胞对进行实验。结果发现，对激活细胞进行局部机械刺激后，激活细胞内迅速出现钙离子流入（10 - 12 秒），并通过细胞连接传递到目标细胞，诱导目标细胞出现同步钙瞬变，且延迟时间极短（<0.1 秒）。这一过程具有空间特异性，仅在受机械刺激的细胞对中发生。机械电转导过程分为两个阶段：首先是激活细胞内由于膜变形激活机械敏感离子通道导致钙离子流入，然后是通过细胞连接使钙离子和去极化电流快速扩散到目标细胞。这一发现为机械刺激增强生物电通讯提供了直接证据，表明机械刺激、钙动态变化和目标细胞激活之间存在因果关系，该机制可将静止细胞转变为 “生物电源”，再现天然心脏组织中的分级信号传导。
四、研究结论与意义
本研究通过将机械刺激与自然细胞间通讯相结合，开发出一种创新且无损的靶向心脏细胞调节策略。研究人员利用机械探针成功将心脏细胞转变为 “细胞激活按钮”，实现了对相邻目标细胞的激活，这一成果为心脏细胞跳动的调控研究提供了全新视角。
从机制层面来看，该研究加深了人们对机电反馈的理解，明确了机械刺激在增强细胞间电信号传导中的作用，揭示了 “细胞激活细胞” 模式依赖于细胞间通讯途径、机械敏感离子通道和钙动态变化的协同作用。在疾病研究方面，这些发现对于理解由细胞间通讯异常引起的心律失常疾病具有重要意义，为深入探究心律失常的发病机制提供了新的理论依据。
不过，该研究也存在一定的局限性。目前的 2D 培养系统虽然操作简单、可控性强，但缺乏与天然心肌相似的 3D 细胞外基质相互作用，未来研究需要借助 3D 模型（如工程心脏组织、心脏类器官）来更好地模拟生理条件。此外，还需要建立一个定量框架，明确刺激强度与细胞响应类型之间的关系。尽管如此，这项研究仍然为心血管领域的研究开辟了新的方向，有望在未来推动心血管疾病治疗和心脏组织工程等方面取得新的突破。该研究成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》上，为该领域的进一步研究奠定了坚实基础。
