体外培养介质外工程化心肌组织的生物阻抗与电生理测量技术及其应用研究

为解决三维心脏组织模型在导电培养基中难以直接测量阻抗和电生理信号的难题，挪威奥斯陆大学团队开发了一种新型监测平台。该平台通过周期性抬升工程化心肌组织（EHTs）脱离培养基，实现了电流直接流经组织的非侵入式测量。研究证实，该方法可同步监测EHTs的收缩性（1 kHz阻抗）、电生理特性（场电位）和结构变化（EIS），并支持低电荷电刺激。相关成果发表于《Biosensors and Bioelectronics》，为心血管疾病建模和药物筛选提供了创新工具。

　　

心血管疾病研究长期面临体外模型功能评估的瓶颈——传统光学方法受限于穿透深度和光毒性，而阻抗测量技术又因培养基的高导电性导致信号干扰。尤其对于由人诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的工程化心肌组织（EHTs），如何在三维结构中实现精准的电生理和力学特性监测，成为制约药物开发和疾病建模的关键难题。

挪威奥斯陆大学联合团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表的研究中，创新性地提出"培养基外测量"策略。研究人员设计的气动平台可将EHTs周期性抬离培养基30秒，通过铂钩电极直接测量组织阻抗和场电位。该系统集成三项核心技术：固定频率（1 kHz）阻抗监测收缩动态、场电位记录电活动、宽频阻抗谱（EIS）分析结构变化。实验采用hiPSC分化的心肌细胞（hiPSC-CMs）与心脏成纤维细胞构建胶原基EHTs，通过自动化程序实现长达两周的连续监测。

3.1 传感器特性验证
通过无细胞胶原样本验证，选择1 kHz作为最佳收缩监测频率，排除高低频极化效应干扰。不同体积样本的阻抗稳定性实验证实系统可敏感检测厚度变化（150 μl vs 75 μl胶原阻抗差达2倍）。

3.2 培养基外测量优势
对比实验显示，脱离培养基后信噪比显著提升（图2A）。场电位振幅波动从培养基内的±0.1 mV改善至±0.02 mV，阻抗信号基线漂移仅源于培养基蒸发导致的盐浓度变化。

3.3 收缩-阻抗关联机制
视频运动追踪与阻抗信号同步分析揭示（图2B），EHT收缩时厚度增加11%对应阻抗下降15Ω。欧氏距离变换算法计算的半径变化与阻抗变化呈线性相关（R²=0.82），验证了阻抗反映几何形变的假设。

3.5 药物响应验证
维拉帕米（verapamil）浓度梯度实验（10-100 nM）显示，阻抗振幅下降与药物浓度呈剂量依赖性（p<0.001），而场电位振幅出现反常升高（图3）。该现象与hiPSC-CMs动作电位缩短导致的频率加速机制相符。

3.6 长期稳定性验证
两周监测显示（图4-5），阻抗振幅从15Ω增至305Ω，场电位振幅提升3倍。EIS相角变化表明组织内电解质比例随时间减少。关键的是，与静态对照组相比，测量组在细胞活性（MTT检测）、凋亡（caspase-3/7）及组织结构（免疫荧光）方面均无显著差异，证实方法的生物相容性。

这项研究突破了三维心脏组织电生理监测的技术壁垒，其创新性体现在三方面：首先，培养基外测量策略将电流通路限制在组织内部，使阻抗灵敏度提升200倍；其次，平台整合收缩力-电活动-结构的多参数分析能力，可捕捉维拉帕米诱导的机电解耦联现象；最后，低电荷电刺激（6 V, 40 ms）的实现为组织成熟研究提供新可能。值得注意的是，该技术对胶原降解敏感的局限性提示未来需优化ECM配方，但已为心肌纤维化药物筛选和疾病模型建立开创了可扩展的技术路径。