[发明专利]采用力刺激方式进行心肌细胞体外功能测试与调控的方法

说明书

本发明涉及医工交叉领域，具体涉及采用力刺激方式进行心肌细胞体外功能测试与调控的方法，包括：步骤S1，对包裹心肌细胞的整体凝胶施加力刺激，以采集心肌细胞的伸展和迁移数据；步骤S2，取整体凝胶的局部，并对局部凝胶施加力‑电耦合式刺激，以采集心肌细胞收缩力和收缩频率数据；以及步骤S3，降解凝胶得到细胞悬液，以采集细胞悬液的参数数据；本发明的方法通过力刺激加载装置对整体凝胶施加应变或应力，经过对细胞的生长观测后，再经挑选对局部凝胶同时施加拉伸应力、挤压应力和扭切应力，使心肌细胞能够通过细胞膜上的力敏感离子通道感受细胞微环境中的静态和动态力学刺激，激活细胞膜上的电生理和细胞内的生物化学响应，这对调控心肌细胞的结构和功能起到非常重要的作用。

技术领域

本发明属于医工交叉领域，特别是生物力学和力学生物领域，具体涉及采用力刺激方式进行心肌细胞体外功能测试与调控的方法。

背景技术

心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因,心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗提供了最有潜力的解决方案。在心血管疾病的发生发展过程中，其与细胞力–电微环境的变化密切相关。近十几年,随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展, 越来越多的研究表明, 细胞力–电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复至关重要。在体心肌细胞所处力学微环境会对心肌细胞的生长及信号传导等产生多方面影响，由于疾病引起的力学微环境的变化亦会导致心肌细胞产生异常的生理状态。因此研究力学微环境对细胞的影响作用对于探究基础理论以及疾病的诊断治疗亦都具有重要意义。

目前对细胞力学微环境调控方面的研究,主要是通过控制二维或者三维基底材料的硬度或刚度等来模拟正常生理或病理状态下细胞所处力学微环境; 或对包裹细胞的支架材料进行仿生力学拉伸刺激来调控细胞在微尺度下的受力状态进而促进心肌细胞的功能。通常的电刺激加载主要通过设计各种形式的电极对细胞进行脉冲式的刺激实现的。有研究表明，接种于导电的复合材料支架上的心肌细胞对电刺激的响应有较为明显的提高,能够更好地传导施加的电信号,以促进心肌细胞的同步搏动功能。因此,体外培养的过程中通过加载仿生力–电刺激重构细胞，力–电微环境利于改善工程化心肌组织的制备流程和功能模拟,其中对力信号刺激或力–电耦合信号刺激装置的设计和方法优化是实现成熟的工程化心肌组织的重要内容。

在研究力-电耦合环境下，心肌细胞的生理特性响应时，通常需要特定的激励施加及细胞功能测试装置，而目前的装置多为单一型，且在凝胶内细胞培养方面存在力学激励施加不均匀、样品夹具及力加载装置分离以及难以实现慢速可变半径的扭切加载及超微小扭切应变等问题。

发明内容

本发明的目的是提供采用力刺激方式进行心肌细胞体外功能测试与调控的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种采用力刺激方式进行心肌细胞体外功能测试与调控的方法，包括：步骤S1，对包裹心肌细胞的整体凝胶施加力刺激，以采集心肌细胞的伸展和迁移数据；步骤S2，取整体凝胶的局部，并对局部凝胶施加力-电耦合式刺激，以采集心肌细胞收缩力和收缩频率数据；以及步骤S3，降解凝胶得到细胞悬液，以采集细胞悬液的参数数据。

进一步，步骤S1中对包裹心肌细胞的整体凝胶施加力刺激，以采集心肌细胞的伸展和迁移数据的方法包括：

采用力刺激加载装置对整体凝胶施加预设的应变力加载，包括拉伸应力、挤压应力、剪切力或扭切力中的一种或几种，并持续力加载4h-72h时间后，通过定时间隔显微摄像技术检测心肌细胞的伸展和迁移情况，并记录心肌细胞的伸展和迁移数据。

进一步，步骤S2中取整体凝胶的局部，并对局部凝胶施加力-电耦合式刺激，以采集心肌细胞收缩力和收缩频率数据的方法包括：

采用力刺激加载装置对局部凝胶同时施加预设的拉伸应力、挤压应力和扭切应力加载，并持续力加载4h-72h时间，并同时采用插入式微电极插入局部凝胶内对心肌细胞进行电刺激，通过力-电耦合式加载方式检测心肌细胞收缩力和收缩频率，并记录心肌细胞收缩力和收缩频率数据。