心血管疾病每年导致的死亡人数约占全球死亡人数的40%。这种情况表明，由于研究方法和检测技术的复杂性，迫切需要针对心血管疾病发病机理研究并开发相应的药物。体外心肌细胞模型通常用于心脏药物筛选和疾病建模，因为它可以通过机电反馈对微生理环境变化做出反应。微流控平台能够精确控制流体，并与分析和检测技术相结合。因此，各种微流控平台（例如心脏器官芯片）已被应用于心肌细胞生理环境的重建以及细胞信号的检测。这些平台在体外模拟心血管结构和功能以及监测机电信号方面展现出了显著优势。
据麦姆斯咨询报道，近日，齐鲁工业大学和多伦多大学的研究人员联合在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Microfluidic platforms for monitoring cardiomyocyte electromechanical activity”的综述文章。文章综述了用于监测微流控平台内心肌细胞收缩性和电生理信号的方法和技术。然后，介绍了微流控平台在常见心脏药物筛选和心血管疾病建模中的应用，以及加强生理研究的设计策略。最后，讨论了微流控平台在组织工程和传感技术方面的前景。
用于心肌细胞生理研究的微流控平台示意图
收缩性测量技术
在收缩性测量方面，研究人员首先总结了几种常见的检测收缩力的非微流控方法，重点介绍了发展过程中的最新趋势和代表性成果。对于微流控平台上的收缩性测量，主要介绍了光学方法。它们能够结合视频和图像分析来监测不同尺寸和形态的心肌细胞群的收缩性。主要使用三种方法：通过对单个心肌细胞内的钙离子水平进行荧光测量来确认收缩情况；利用接种有2D心脏组织的结构彩色水凝胶薄膜反射峰的位移来监测跳动情况；对硅柱上负载的3D心脏组织进行图像分析，以量化收缩力。
用于测量心肌细胞收缩性的非微流控和微流控平台
监测电生理信号
对于电生理信号检测，一种常见的方法是将微流控与微电极阵列（MEA）集成，例如在定制微流控芯片上设计凹槽图案层以集成商用微电极阵列系统。无论是对单个心肌细胞场电位的记录，还是在多孔板中进行高通量的场电位测量，都能够实现。电刺激已被广泛集成到电生理装置中，并在微流控领域得到了大量应用。电刺激的集成有利于促进细胞成熟，是检测心肌细胞电活动的有效方法。
用于监测电生理信号的微流控平台
机电测量在心肌细胞微流控平台中的应用
微流控平台在心肌细胞生理信号检测方面的重要应用在于药物筛选和疾病建模。微流控平台能够筛选药物，并具有复制体内微环境和处理少量液体的能力。结合机电分析技术，它们可以检测心肌细胞对不同药物刺激产生的信号。该方法允许评估微流控平台在药物筛选应用中的可行性，旨在未来扩展到其它的心脏药物。这方面的一个重要应用场景是同时测量不同浓度的多种药物。挑战在于实现多种浓度的多种药物测试的准确性和稳定性，以满足高通量的需求。
在疾病建模方面，微流控芯片已成功地促进了各种类型的心血管疾病的建模。遗传性心血管疾病模型通常使用诱导性多能干细胞（iPSC）工程组织和患者来源的细胞来构建。对于非遗传性心血管疾病，微流控平台可以模拟微血管的结构和功能，以模拟特定的疾病。这些信息强调了微流控平台在模拟体内微环境方面的强大潜力，为进一步探索生物医学领域的发病机制和治疗方法提供了一条有前景的途径。
用于药物筛选和疾病建模的微流控技术
设计策略
微流控的设计策略加强了对心肌细胞的生理研究。细胞的纯度直接影响随后的收缩性或电生理信号的测量，无论它们是来自iPSC还是直接从生物体获得。微流控平台可以根据心肌细胞的物理结构或电生理分类来富集心肌细胞，以从细胞混合物中纯化这些细胞。已经提出了多种策略来促进成熟和解决不成熟人诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）的问题。动态负载的应用可以带来更好的心脏组织分化，以及电气和机械耦合。机械刺激和代谢信号的结合促进了hiPSC-CMs的成熟度和功能性的提高，增强了药物筛选结果的临床相关性。
用于监测心肌细胞生理信号的微流控平台设计策略
未来，微流控技术将通过复制和控制细胞微环境中的条件，进一步推动组织工程领域的发展，影响新兴的器官芯片技术。多个器官芯片可以通过微流控相互连接，模拟它们在体内的交流和相互作用，并提供分析器官间相互作用的能力。集成各种传感器和多个器官之间相互作用的微流控平台可以提高药物筛选的性能，为未来器官芯片平台的发展铺平道路。人类神经元和心肌细胞的共培养模拟了它们在体内轴突介导的相互作用。值得注意的是，微流控平台可用于培养和检测各种细胞类型的生理信号。
数字化和智能化是微流控平台的显著发展趋势。数字微流控（DMF）是一种基于微电极阵列的新兴液体处理技术，用于精确操纵离散液滴。数字微流控具有自动化、可寻址、集成和动态配置的优点，并提供了从皮升到微升的封闭反应空间。这些特性使其适用于芯片的实验室生物分析和需要高集成度和复杂工艺的应用。另一个潜在的发展趋势是微流控与生物混合机器人的集成。微流控技术的进步已经彻底改变了疾病建模和药物开发，并有望影响再生医学，但尚未应用于生物人工复合组件。将微流控与活体材料融合将改善组织灌注和成熟，并实现传感、处理和控制元件的精确图案化。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00751-z
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
