多功能机器人微操作系统实现斑马鱼心血管疾病治疗的自动化药物筛选与心脏节律监测

为解决传统斑马鱼实验操作效率低、主观性强的问题，澳门大学徐青松团队开发了集成微注射与心脏节律监测功能的机器人系统。通过创新的视觉算法实现心房心室精确定位，首次完成斑马鱼幼虫全发育阶段心脏节律追踪，并证实阿司匹林可降低Ponatinib诱导的心血管毒性。该系统使药物剂量降低60%，为心血管疾病治疗提供高效研究平台。

　　

在心血管疾病研究领域，斑马鱼因其与人类74%的基因组同源性以及心脏搏动机制的相似性，已成为重要的模式生物。然而传统实验方法面临两大技术瓶颈：手工微注射存在成功率低（仅86.6%）、耗时（36.36秒/样本）的问题；而心脏节律监测依赖人工显微镜计数，不仅效率低下且结果易受主观影响。这些局限性严重制约了高通量药物筛选研究的开展，特别是在需要长期观察发育过程的实验中。

澳门大学的研究团队突破性地开发出集成化机器人微操作系统，将微注射效率提升至93.3%成功率、11.57秒/样本的行业新高度。该系统创新性地采用基于模运算的视觉算法，通过识别眼睛和卵黄/泳囊等生物特征间接定位心脏区域，实现了心房心室活动的精确分离监测。相关成果发表在《npj Biomedical Innovations》期刊，为心血管疾病研究提供了革命性的技术平台。

关键技术包括：1）基于LabVIEW开发的生产者-消费者模式软件架构，集成硬件控制与视觉算法；2）间接心脏定位技术，利用眼部与卵黄/泳囊的空间关系确定ROI（感兴趣区域）；3）模运算图像处理算法，通过连续帧分析识别收缩期和舒张期的心房心室；4）时频分析技术（FFT和STFT）解析心脏节律特征。系统支持从3 dpf（受精后天数）到成鱼的全发育阶段监测。

【系统开发】研究团队构建的硬件系统包含立体显微镜、XY平台、XYZθ平台和微注射器等模块。软件系统采用模块化设计，包含心脏识别、心房心室分割等子程序，通过生产者-消费者模式实现并行处理。性能测试显示，其微注射成功率（93.3%）和效率（11.57秒/样本）显著优于人工操作。

【心脏定位算法】创新性地提出基于生物特征的间接定位策略：早期幼虫阶段（7 dpf前）通过眼睛-卵黄空间关系确定心脏区域，中后期（7 dpf后）则改用眼睛-泳囊定位。该方法避免了全局图像处理，计算效率提升3倍以上。图像处理采用绿色平面提取配合模运算，有效识别心房心室交替收缩的动态特征。

【全发育阶段监测】首次实现斑马鱼幼虫全发育周期心脏节律追踪：早期幼虫阶段心率逐渐增加至2 Hz以上，中后期稳定在20-30次/10秒。环境实验显示，水流环境可使心率提升15%，而饵料缺乏会导致心率持续下降直至死亡。麻醉剂浓度测试表明，200 mg/L Tricaine（MS222）可使心率抑制达40%，但随发育进行抑制作用减弱。

【药物验证】应用该系统研究Ponatinib（酪氨酸激酶抑制剂）的心血管毒性及阿司匹林的干预效果。实验设置四组：对照组、Ponatinib组、Ponatinib+水溶阿司匹林（25μg/ml）组、Ponatinib+微注射阿司匹林（10μg/ml）组。结果证实Ponatinib使心率降至57.8次/分（正常组98.4次/分），而两种阿司匹林给药方式均能恢复心率至正常水平。值得注意的是，微注射给药剂量比水溶给药减少60%，突显了靶向给药的优越性。

这项研究的意义在于：技术上，创建了首个集成微注射与长期节律监测的斑马鱼研究平台，其模块化软件设计便于功能扩展；方法学上，创新的视觉算法解决了非接触式心脏监测的精度难题；应用层面，成功验证了阿司匹林对药物性心脏毒性的缓解作用，为心血管保护策略提供了新证据。特别值得关注的是，Poincare图分析显示系统可准确评估心率变异性（HRV），这对心律失常等疾病模型的建立具有重要价值。该系统的批处理能力（30样本/组）和长期监测特性（30天以上），使其在药物筛选领域展现出巨大应用潜力，为转化医学研究提供了强有力的技术支撑。