HCells高通量多模態(tài)心肌細胞功能檢測系統是一套集仿生培養(yǎng)、動態(tài)監(jiān)測與定量分析于一體的專業(yè)研究平臺。系統通過三大核心模塊的協同工作，實現對心肌細胞興奮-收縮耦聯過程的多參數定量檢測：可調控剛度的水凝膠培養(yǎng)模塊可模擬從正常到病變心肌組織的剛性環(huán)境；高分辨率顯微成像模塊實時捕捉細胞在動態(tài)培養(yǎng)過程中的形態(tài)與功能變化；高通量數據采集和自動化分析模塊則對獲取的牽引力、鈣瞬變和肌節(jié)運動數據進行深度挖掘與關聯分析。平臺采用靈活的模塊化架構設計，用戶可根據具體研究需求進行個性化配置。除基礎模塊外，可選配高精度電刺激系統模擬不同電生理狀態(tài)、溫控孵育系統維持細胞活性，或離體灌流裝置實現更接近生理條件的研究。這種可擴展的設計理念使系統能夠適應從基礎機制探索到藥物篩選等不同研究場景的需求，為心血管疾病研究、藥物安全性評價及再生醫(yī)學等領域提供高度定制化的解決方案。
HCells系統的圖案化水凝膠3D培養(yǎng)模塊通過仿生工程構建了高度擬真的心肌細胞微環(huán)境。基于可調控的水凝膠材料體系，該模塊能夠精確模擬心肌組織從生理到病理狀態(tài)的力學特性，彈性模量可在2-50kPa范圍內連續(xù)調節(jié)。其三維微結構設計模擬天然心肌組織的定向排布特征，結合優(yōu)化的生物界面特性，為心肌細胞提供理想的生長環(huán)境。這種仿生培養(yǎng)體系不僅能長期維持細胞功能，更能真實再現心肌細胞與細胞外基質的力學相互作用，為心臟疾病機制研究和新藥開發(fā)提供可靠的體外實驗平臺。
HCells系統集成多模態(tài)顯微成像解決方案，采用科研級顯微鏡平臺與高性能科學相機組合，為心肌細胞功能研究提供可靠的觀測能力。該系統可實現細胞層面的高分辨率成像，支持對心肌細胞收縮動態(tài)、鈣信號傳導等關鍵生理過程的觀測分析。通過優(yōu)化的光學系統與圖像采集方案，該系統能夠清晰捕捉心肌細胞在興奮-收縮耦聯過程中的形態(tài)與功能變化，為相關機制研究提供重要的實驗數據支持。
HCells系統自動化數據采集和分析模塊是專為心肌細胞功能研究開發(fā)的新一代智能分析平臺，集成了前沿的圖像處理技術和人工智能算法。該模塊通過高精度的運動追蹤技術，能夠全面解析心肌細胞的力學特性變化，包括收縮力動態(tài)、位移特征等關鍵參數。基于智能化的圖像識別技術，模塊可自動捕捉并量化鈣信號傳導過程與肌節(jié)運動模式，實現多維度功能參數的同步監(jiān)測與綜合分析。模塊采用自適應學習算法，能夠根據不同實驗條件自動優(yōu)化分析流程，確保數據處理的準確性和可重復性。通過與HCells系統硬件平臺的無縫對接，構建了從實時數據采集、智能分析到結果輸出的全流程解決方案。系統支持大數據量的并行處理，顯著提升了科研效率，同時提供直觀的可視化界面，便于研究人員深入分析實驗結果。該模塊的智能化分析能力為心肌細胞功能研究提供了強有力的技術支持，特別適用于藥物心臟安全性評估、疾病機制研究以及個性化醫(yī)療等前沿領域。
HCells系統提供專業(yè)化的選配模塊，支持根據實驗需求靈活擴展。可選配高精度電刺激模塊，實現心肌細胞電生理特性的精準調控；恒溫孵育模塊為長時間實驗提供穩(wěn)定的培養(yǎng)環(huán)境；改良版Langendorff離體心臟灌流系統則可模擬在體心臟的生理狀態(tài)。系統還支持擴展多模態(tài)成像組件等專業(yè)設備，用戶可自由組合構建個性化實驗平臺。這種模塊化設計使HCells系統能適應從基礎研究到藥物開發(fā)等不同需求，為心血管研究提供全面的技術支持。
本研究展示了現代心肌細胞功能分析平臺在遺傳性心肌病機制研究中的強大應用價值。研究人員將4例攜帶GATA4-G296S突變的先天性心臟病患者和4例健康對照的皮膚成纖維細胞重編程為誘導多能干細胞（iPSCs），并在模擬人體心肌微環(huán)境（10kPa剛度）的條件下將其分化為心肌細胞（iPSC-CMs）。通過高精度心肌細胞功能分析平臺的多模態(tài)檢測技術，研究人員不僅定量評估了心肌細胞的收縮力學特性，還同步監(jiān)測了鈣信號轉導動態(tài)，實現了對興奮-收縮耦聯全過程的系統分析。研究結果顯示，GATA4-G296S突變導致心肌細胞收縮力顯著降低約35%，鈣瞬變幅值下降42%，并伴有明顯的電-機械耦聯效率受損。這些發(fā)現不僅揭示了GATA4突變導致心臟發(fā)育缺陷和心肌功能障礙的分子機制，更凸顯了現代心肌細胞功能分析平臺在基礎研究與臨床轉化中的關鍵作用——其高靈敏度、多參數同步檢測能力可精準捕捉心肌細胞的細微功能異常，為遺傳性心臟疾病的機制解析、藥物篩選和個性化治療提供了強有力的技術支撐。該研究成果已發(fā)表于《Cell》期刊，為后續(xù)研究建立了重要的方法學參考。
在這項針對肥厚型心肌病致病機制的重要研究中，研究人員采用CRISPR/Cas9基因編輯技術在hiPSC中精準引入了MYH7基因的P710R突變，成功建立了疾病模型。通過細胞力學分析技術，研究團隊系統評估了該突變對心肌細胞機械功能的全面影響。實驗數據明確顯示，攜帶P710R突變的hiPSC-CMs表現出顯著的力學功能異常：不僅產生的峰值收縮力較野生型細胞提高了約50%，收縮持續(xù)時間也明顯延長了30-40%。值得注意的是，即便在將收縮力標準化為細胞面積后，這種力學增強效應仍然顯著存在，表明突變直接影響了心肌細胞的內在收縮特性。此外，該研究還發(fā)現P710R突變導致心肌細胞尺寸顯著增大，這一表型與臨床肥厚型心肌病的病理特征高度一致。這些發(fā)現不僅證實了MYH7突變通過改變心肌細胞力學特性參與疾病發(fā)生，也凸顯了細胞力學分析在心血管疾病研究中的關鍵價值。該研究所采用的定量化分析平臺能夠精確測量心肌細胞的動態(tài)收縮力、收縮-舒張動力學以及形態(tài)學參數，為揭示基因突變如何影響心肌細胞機械功能提供了可靠的研究手段。這種基于hiPSC-CMs的力學功能分析體系，不僅適用于致病機制研究，還可為心肌病藥物篩選和療效評估提供重要的技術支撐，展現出在心血管研究領域的廣泛應用前景。
在這項研究中，研究人員采用牽引力顯微鏡（TFM）技術系統評估了氧化鋅納米顆粒（ZnO NPs）對氣道平滑肌細胞（ASMCs）收縮功能的動態(tài)影響。實驗結果表明，低濃度（0.1 μg/mL）的ZnO NPs暴露可顯著增強ASMCs的收縮力，而隨著濃度升高，收縮力呈現劑量依賴性下降趨勢。這種雙相效應提示ZnO NPs可能通過改變細胞骨架重組或鈣信號通路來調節(jié)平滑肌的機械響應。該研究所采用的細胞力學分析技術能夠精確量化納米材料暴露下ASMCs的實時收縮力變化，為評估工程納米顆粒的呼吸系統生物力學毒性提供了可靠的研究手段。這種基于活細胞力學檢測的分析體系，不僅適用于納米顆粒安全評估，還可用于研究空氣污染物、藥物或基因修飾對氣道平滑肌功能的調控機制，為呼吸系統疾病研究和藥物開發(fā)提供重要的技術支撐。
在這項針對吸煙相關肺血管病變的研究中，研究人員通過牽引力顯微鏡（TFM）技術系統評估了香煙煙霧提取物（CSE）對肺動脈平滑肌細胞（PASMCs）收縮功能的直接影響。實驗數據表明，CSE暴露顯著降低了PASMCs的收縮力生成能力，這一發(fā)現為解釋吸煙導致的肺血管功能異常提供了重要的力學機制依據。該研究采用的細胞力學分析技術能夠精確量化環(huán)境刺激（如香煙煙霧）對血管平滑肌機械功能的動態(tài)影響，為研究COPD等呼吸系統疾病的血管重塑機制提供了可靠的研究手段。這種基于活細胞力學檢測的分析體系，不僅適用于評估吸煙對肺循環(huán)系統的病理影響，還可用于研究空氣污染物、藥物干預或基因修飾對血管平滑肌功能的調控作用，為呼吸-循環(huán)系統疾病的機制研究和治療策略開發(fā)提供了重要的技術支撐。
在這項關于近視發(fā)病機制的重要研究中，研究人員利用牽引力顯微鏡（TFM）技術系統研究了近視發(fā)展過程中角膜細胞力學特性的動態(tài)變化。通過建立經典近視模型，研究團隊發(fā)現近視狀態(tài)下角膜細胞產生的牽引力顯著高于正常細胞，而當近視狀態(tài)恢復后，這種力學異常也隨之消失，恢復到正常水平。這一突破性發(fā)現揭示了角膜細胞力學特性改變與近視發(fā)展的直接關聯。該研究所采用的細胞力學分析技術能夠精確量化角膜細胞在不同生理病理狀態(tài)下的牽引力變化，為研究近視等眼科疾病的發(fā)病機制提供了全新的研究視角。這種基于活細胞力學檢測的分析體系具有以下突出優(yōu)勢：1）可動態(tài)監(jiān)測疾病發(fā)展過程中細胞力學特性的演變；2）能靈敏捕捉疾病治療后的細胞功能恢復情況；3）為眼科疾病的早期診斷和治療效果評估提供客觀的力學指標。這種技術平臺不僅適用于近視機制研究，還可廣泛應用于青光眼、圓錐角膜等其他眼科疾病的病理機制探索和藥物篩選。
在這項關于中性粒細胞遷移機制的重要研究中，研究人員系統探究了基質剛度對中性粒細胞力學行為的影響。通過細胞力學分析技術，研究團隊發(fā)現中性粒細胞在不同硬度基質上展現出顯著差異的力學特性和遷移模式：在較硬基質上，細胞產生更大的牽引力，移動速度較慢但方向更持久；而在較軟基質上，細胞移動更快但方向變化更頻繁。值得注意的是，研究還揭示了中性粒細胞牽引力的空間分布特征，即牽引力始終位于細胞后部，這一發(fā)現為理解免疫細胞遷移的力學機制提供了新的見解。該研究采用的細胞力學分析平臺能夠精確量化中性粒細胞在復雜微環(huán)境中的三維力學行為，包括遷移軌跡、速度、方向持久性以及牽引力分布等關鍵參數。這種高精度的力學檢測技術具有以下突出優(yōu)勢：1）可實時監(jiān)測細胞在模擬生理環(huán)境中的動態(tài)力學響應；2）能準確解析細胞與細胞外基質的力學相互作用；3）為研究免疫細胞遷移的調控機制提供定量化的研究手段。這種技術平臺不僅適用于中性粒細胞研究，還可廣泛應用于其他免疫細胞的遷移機制探索，為炎癥反應、免疫應答等生理病理過程的深入研究提供重要的技術支撐。
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