心肌细胞研究:一个系统,四种功能

为什么要测量心脏活动?

体外模型是研究人类心脏疾病的有效方法。这些疾病很多是因为心肌细胞兴奋性、收缩性或两者同时发生微小变化的结果。Maestro技术平台能够实时观察心肌细胞的活动,提供以往难以获得的细胞功能信息。

什么是MEA?

Axion的微电极阵列(MEA)多孔板在孔底的培养表面都有一组紧密排列的电极阵列。将心肌细胞等电活性细胞在电极上培养,随着时间的推移,培养体系的建立,形成一种心肌细胞的搏动合胞体(beating syncytium)。Maestro可以在微秒级的时间间隔,在各个电极上记录自发或诱发的电活动,提供时间和空间上的精确数据。

全面的功能检测

Maestro Pro和 Maestro Edge是新一代多孔板电生理读板机,利用同一台设备,可以无标记和实时地在多孔板的微孔中记录心脏功能表现的四个关键指标:动作电位/Action Potential,场电位/Field Potential,搏动传播/Propagation和收缩性/Contractility。

动作电位/ACTION POTENTIAL

工作原理:

局部胞外动作电位(LEAP)分析功能可以记录细胞外动作电位的波形,这样的波形可以稳定10到20分钟或更长时间。LEAP信号不仅可以量化动作电位的形态,还能够对复杂的复极化不规则现象,如早期后除极(early afterdepolarizations ,EADs)进行表征。LEAP是非标记的记录方式,不会干扰细胞正常的生理状态,研究人员不用担心染料与药物,或染料与细胞生理状态间的相互影响。LEAP的技术原理类似于膜片钳,其记录的信号幅度与电极和细胞间的封接电阻成正比,这个功能是通过电磁感应增强了细胞和电极之间的联结,让记录动作电位而不是场电位信号成为可能。

可以测量哪些参数?

Maestro系统检测心肌细胞动作电位波形的关键参数有:去极化(上升时间)、复极化(APD30、APD50、APD90)、三角型化(triangulation)和不规则搏动(心律失常)。

LEAP药理学研究案例

LEAP可以全自动地进行信号形态分析和EAD检测,以Maestro CM-MEA FP分析为基准,准确地追踪心肌细胞动作电位。用LEAP检测hiPSC-CM动作电位的三角型化,与之前报道的手工膜片钳在体外检测的结果一致。

A) E-4031先延长了复极化时间,接着产生复极化不规则。B) 硝苯地平(Nifedipine)以剂量依赖的方式缩短了LEAP信号的持续时间。C) 特罗地林(Terodiline)在较高浓度下诱发三角型化,与膜片钳结果一致。

场电位/FIELD POTENTIAL

工作原理

当心肌细胞在MEA多孔板中培养时,一群细胞的自发动作电位在邻近的记录电极上检测为胞外场电位的波动。记录的场电位信号来自于心肌动作电位在功能合胞体间的传播,与临床ECG记录的心脏动作电位在心脏上的传播非常相似。场电位信号有清晰的去极化和复极化标志,因此可以对重要的搏动参数进行量化分析。

可以测量哪些参数?

Maestro系统检测心肌细胞活动的关键参数,包括去极化、复极化(FPD)、心跳周期和不规则搏动(心律失常)。

场电位:体外药物安全性评价的金标

通过多年来与FDA在CiPA项目上的研发合作,Maestro hiPSC-CM 场电位 (FP)分析结果灵敏,在准确性和可靠性上具有很大优势,在CiPA第一阶段和第二阶段的研究中显示出业界领先的性能。通过无标记、不破坏细胞的信号采集和精确的环境控制,Maestro还可以长期对同一培养物进行检测。

搏动传播/PROPAGATION

工作原理

在人类心脏中,协调收缩是有效循环所必需的。传导(conduction)减慢或中断会导致心律不齐,是体外心脏评估的一个关键参数。在MEA板中培养的心肌细胞,每次搏动都从培养物的一个部分开始,然后在单层膜上传播,其搏动传播和传导速度可以在记录电极阵列上进行测量。Maestro MEA平台在每孔中有多达64个记录点,可用于检测药物作用时或心肌细胞分化期间,传播模式(propagation patterns)和传导速度(conduction velocity)的变化。

可以测量哪些参数?

Maestro系统可以检测心肌细胞搏动传播的关键参数,包括传导速度,和确定每个搏动的传播模式,用数据报告描述搏动传播的一致性。在一个hiPSC-CM合胞体中,搏动通常在培养物的一个部分(起搏区,pacer region)开始,然后像波浪一样在组织中传播。施加药物或心脏处于疾病状态时,细胞的兴奋性发生了改变,细胞间的缝隙连接(gap junction,Gj)的改变,最终会影响传导。起搏检测能识别出传导速度的细微变化,而总的传导变化则在传播模式中表现为不一致。

收缩性/CONTRACTILITY

工作原理

心脏兴奋-收缩耦联(excitation-contractioncoupling)描述了从电脉冲(动作电位)到心脏收缩的一系列事件。在MEAs上培养心肌细胞,形成一个自发跳动的合胞体,当细胞在电极上机械收缩和伸展时,形状的变化可被检测为阻抗的增加和减少。电极阵列可以检测到正在收缩的区域和其他正在伸展的区域 。这种模式可以用收缩力图表现,每个橙色圆圈的相对大小表示电极局部的细胞是在收缩还是伸展。

可以测量哪些参数?

检测收缩性的关键参数,包括跳动幅度、跳动时间和兴奋收缩延迟。

体外检测生理收缩

收缩性提供了关于心脏跳动的重要信息。示例,肌球蛋白抑制剂布利比他汀(blebbistatin)降低了电极阵列上的心肌细胞收缩力信号。在高浓度时,细胞则不再收缩。此外,基于电极阵列的收缩性检测还可以应用于新兴的一些研究,如从三维培养物(细胞球,spheroid)中记录信号,测定结果稳定,不受细胞覆盖率的影响。

 

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Cardiac Activity White Paper – Axion BioSystems