《Chemical Engineering Journal》：DC-SVM-based analysis of responsive signals from a biomimetic olfactory sensor for assessing the effect of fatty acids odors on cardiomyocytes
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•研究人员开发了一种基于心肌细胞的嗅觉传感器，用于检测脂肪酸。•多特征分析使传感器更加精准实用。•通过沉默OR51E1基因进一步验证了该传感器的选择性。•该传感器对五种脂肪酸气味的分类准确率可达97.30%。引言化学感觉受体（如味觉受体和嗅觉受体）已成为研发针对心血管疾病疗法的重
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研究人员开发了一种基于心肌细胞的嗅觉传感器，用于检测脂肪酸。
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多特征分析使传感器更加精准实用。
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通过沉默OR51E1基因进一步验证了该传感器的选择性。
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该传感器对五种脂肪酸气味的分类准确率可达97.30%。
引言
化学感觉受体（如味觉受体和嗅觉受体）已成为研发针对心血管疾病疗法的重点[1]。由于在心肌细胞中高表达，嗅觉受体OR51E1受到了更多关注[1]、[2]。脂肪酸作为其潜在配体，在生物体内既是重要代谢物也是能量来源[3]。此外，凭借其亲脂性和弱酸性的特性，脂肪酸在抗肿瘤制剂[4]、[5]、[6]以及作为药物递送的载体[7]、[8]和溶剂[9]方面也有广泛应用。因此，一些脂肪酸不再仅被视为膳食成分，而被视为具有潜在治疗作用的物质。例如，癸酸具有多种药理活性，如抗炎、降血脂作用以及多功能的神经保护作用[10]。所以，实现脂肪酸的精确定量具有重要意义。
脂肪酸可激活OR51E1，而其激活会通过一种非典型的嗅觉信号通路对心脏产生负性肌力作用[2]。进一步量化脂肪酸引起的动作电位变化并探索相关的信号转导机制具有重要意义。微电极阵列能够实时、无创地记录心肌细胞的细胞外电位，为评估候选药物的疗效和安全性提供了平台[11]。研究人员利用表达有化学感觉受体（Olfr554和味觉受体）的HL-1心肌细胞以及微电极阵列电生理平台构建了仿生传感器，用于药物筛选[12]，为后续研究积累了宝贵经验。
心肌细胞中的OR51E1可被多种脂肪酸气味激活，气味身份的相关信息会体现在信号的特征参数中。通常使用主成分分析来区分不同气味，但不同气味的气团可能在一定程度上存在重叠。因此，找到合适的算法来对气味进行分类和预测十分重要。机器学习和深度学习算法能够处理复杂数据并实现精确分类[13]，但在实际应用中仍存在一些挑战[14]，比如传感器漂移、过拟合和泛化能力不足、数据采集成本高以及模型可解释性差等问题。深度学习需要大量训练样本，处理小型数据集时容易出现严重过拟合现象[15]。而机器学习则能在分类精度和计算效率之间保持较好平衡。作为一类监督式机器学习算法，支持向量机能够在高维空间内处理小型数据，并且具有较好的抗过拟合能力[16]，已被广泛应用于食品安全[17]、药物筛选[18]以及辅助诊断[19]等领域。
本研究提出了一种仿生嗅觉传感器，以原始心肌细胞作为生物敏感材料，微电极阵列作为换能器，用于脂肪酸气味的定量检测。通过RT-qPCR和免疫荧光染色方法检测了原始心肌细胞中OR51E1的内源表达情况。该仿生嗅觉传感器能够以实时、高灵敏度的方式记录脂肪酸引起的细胞外电生理信号变化。通过自定义代码将这些响应的电生理信号分解为多个特征参数，再通过二阶拟合分析来获取响应趋势信息。此外，还利用统计工具评估了所开发仿生嗅觉传感器的选择性和恢复率，并通过热图和主成分分析图进行可视化展示。同时，通过沉默OR51E1基因的实验进一步验证了该基因在脂肪酸特异性响应中的作用。最后，采用监督学习中的支持向量机对不同脂肪酸进行分类和预测。这项研究不仅为构建新型脂肪酸嗅觉传感器提供了新思路，也为探究异位表达的嗅觉受体的潜在信号转导机制和治疗作用提供了研究平台。
章节摘要
试剂与材料
汉克斯平衡盐溶液、马血清、胰蛋白酶和II型胶原酶均购自美国Gibco公司。杜尔贝克改良鹰培养基购自美国Cytiva公司。牛血清白蛋白购自美国Sigma公司。去甲肾上腺素购自美国TargetMol公司。Lipofectamine? RNAiMAX转染试剂购自美国赛默飞世尔科技公司；钙黄绿素-AM、碘化丙啶、DAPI以及RNAeasy? plus动物RNA分离试剂盒也由该公司提供。
仿生嗅觉传感器的构建与表征
该仿生嗅觉传感器是通过将原始心肌细胞与微电极阵列结合而构建的，可用于对脂肪酸气味进行高效定量分析（见图1）。作为敏感材料，原始心肌细胞保留了来源组织的固有生物学特性，包括细胞形态、基因表达水平、信号通路活性以及细胞间相互作用模式，从而为在体外环境中验证相关生物学现象提供了条件。
结论
本研究成功开发了一种基于心肌细胞和微电极阵列的仿生嗅觉传感器，可用于检测脂肪酸气味。通过RT-qPCR和免疫荧光染色方法证实了心肌细胞上存在OR51E1基因的内源表达。脂肪酸气味会对心肌细胞的电生理信号产生抑制作用。通过提取特征参数对信号的变化进行了分析。
CRediT作者贡献说明
陈雅婷：论文撰写——初稿、方法学、数据整理、概念构思。王苗苗：可视化、方法学、数据整理。Beenish Noureen：软件应用、方法学、概念构思。谭玉硕：论文撰写——审阅与编辑、方法学、数据整理。袁嘉贤：论文撰写——审阅与编辑、软件应用、方法学。赵云迪：可视化、软件应用、方法学。刘亚格：软件应用、方法学。刘明高：软件应用、概念构思。马耀：论文撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2606700）以及国家自然科学基金（项目编号：32271427、32471433、32071370）的支持。
陈雅婷|王苗苗|Beenish Noureen|谭玉硕|袁嘉贤|赵云迪|刘亚格|刘明高|马耀|王志尧|陈伟|杜立平|吴春生
