IF16：浙江大學(xué)胡寧團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)心臟安全性評價多模式生物傳感平臺

研究背景
呼吸道病毒誘導(dǎo)的心肌炎（RVIM）代表著一個不斷升級的臨床挑戰(zhàn)，這歸因于流感和嚴(yán)重急性呼吸綜合征等病毒感染的不斷上升和廣泛存在。這種類型的心肌炎通常與惡性心律失常和急性心功能障礙有關(guān)，需要靈敏的診斷工具來檢測早期階段的功能異常。浙江大學(xué)胡寧團(tuán)隊(duì)在ACS Nano (IF 16.0)上發(fā)表文章“Cardiomyocyte-Based Multimodal Biosensing Platform for Dynamic Functional Assessment of Bioinspired Engineered Respiratory VirusInduced Myocarditis”，開發(fā)了一個多模式生物傳感平臺，集成微電極陣列（MEA）電生理與鈣成像，能夠以單細(xì)胞分辨率同時動態(tài)監(jiān)測多個心肌細(xì)胞中的電活動和鈣瞬變。
· 維真助力 - 假病毒
實(shí)驗(yàn)細(xì)胞
原代新生大鼠心肌細(xì)胞
病毒產(chǎn)品
SARS-CoV-2假病毒、H1N1假病毒
病毒滴度
7.26x10^8IU/mL
病毒用量
5μL/孔、10μL/孔、20μL/孔

結(jié)果展示
1. SARS-CoV-2和H1N1假病毒感染對心肌細(xì)胞的影響
為了評估心肌細(xì)胞對假病毒進(jìn)入的敏感性，作者使用SARS-CoV-2假病毒(SC2-P)和H1N1假病毒(H1N1−P)感染心肌細(xì)胞，免疫熒光染色證實(shí)了感染的心肌細(xì)胞內(nèi)存在病毒包膜蛋白。此外假病毒攜帶GFP報告基因，作者還觀察到心肌細(xì)胞中的GFP表達(dá)水平與感染后病毒濃度之間存在正相關(guān)。用5μL假病毒處理的心肌細(xì)胞在兩組中都顯示出明顯的GFP熒光，盡管與SC2-P相比，H1N1-P處理組的信號較弱。但在較高的病毒劑量（10和20μL）下，兩種假病毒之間的GFP表達(dá)程度變得相似，這表明在較高的病毒滴度下，它們最終實(shí)現(xiàn)的感染效果趨于一致。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了兩種類型的假病毒都能夠以劑量依賴的方式有效轉(zhuǎn)導(dǎo)原代心肌細(xì)胞。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了兩種類型的假病毒都能夠安全、可控地建模心臟細(xì)胞中早期病毒進(jìn)入過程，從而為開發(fā)用于呼吸道病毒誘導(dǎo)的心肌炎診斷評估的多模式生物傳感平臺奠定基礎(chǔ)。這種假病毒模擬模型提供了一種生理相關(guān)且可擴(kuò)展的方法，用于在明確定義的實(shí)驗(yàn)條件下研究感染相關(guān)的心肌功能障礙。

2. 用于評估心肌細(xì)胞功能的多模式生物傳感系統(tǒng)
作者建立了一個多模式生物傳感平臺，集成微電極陣列（MEA）電生理與鈣成像，用于評估RVIM，并通過原代心肌細(xì)胞在MEA芯片表面培養(yǎng)，證實(shí)了該系統(tǒng)的生物相容性。實(shí)驗(yàn)表明心肌細(xì)胞感染假病毒后表現(xiàn)出明顯的功能改變，SC2-P引起心肌細(xì)胞自發(fā)放電率顯著增加，場勢幅度顯著增強(qiáng)，而H1N1-P提高了放電率，但不影響幅度。統(tǒng)計分析證實(shí)，SC2-P導(dǎo)致兩個參數(shù)相對于對照的穩(wěn)健增強(qiáng)，而H1N1−P選擇性地加速了放電頻率。為了進(jìn)一步闡明細(xì)胞機(jī)制，作者評估了細(xì)胞內(nèi)鈣動態(tài)。發(fā)現(xiàn)在對照條件下，細(xì)胞表現(xiàn)出與其自發(fā)跳動的規(guī)則Ca2+振蕩，SC2-P顯著增加了Ca2+瞬時現(xiàn)象的頻率，并且相對于對照也提高了其幅度，H1N1-P暴露加速了Ca2+的瞬時頻率，但沒有顯著改變Ca2+峰值幅度，反映了其對電發(fā)射率的選擇性影響。這些該結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過區(qū)分SARS-CoV-2與H1N1假病毒的影響，證明了其用于建模病原體特異性心臟反應(yīng)的實(shí)用性。

3. 呼吸道假病毒致心肌細(xì)胞損傷的動態(tài)功能評估
為了模擬RVIM的臨床進(jìn)展，作者使用傳感平臺監(jiān)測了假病毒感染時間和劑量對心肌細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)未感染和WT心肌細(xì)胞中始終具有一致的放電速率和信號幅度，但暴露于假病毒的心肌細(xì)胞表現(xiàn)出過度興奮的早期階段，隨后顯著下降。標(biāo)準(zhǔn)化分析顯示，在暴露后1天內(nèi)，SC2-P和H1N1-P組均表現(xiàn)出相對于基線升高的峰值放電率，表明早期過度興奮，但僅在SC2-P組中觀察到場勢幅度的短暫增加，在H1N1-P感染的細(xì)胞中沒有檢測到明顯的幅度變化。此外SC2-P感染的心肌細(xì)胞的放電率和幅度增強(qiáng)在較低劑量下比在較高劑量下更明顯，表明高劑量暴露加速了細(xì)胞損傷的發(fā)生，而不是進(jìn)一步增強(qiáng)興奮功能。在第5天，所有感染組的放電率均下降到低于對照水平，特別是高劑量條件下，自發(fā)峰峰值幾乎完全沉默，場勢信號大大減弱或完全消失。在SC2-P感染的心肌細(xì)胞中，隨著感染的進(jìn)展，觀察到兩個參數(shù)逐漸下降，劑量越高會導(dǎo)致信號衰減更快、更明顯。H1N1-P組表現(xiàn)出相似的總體模式，但與SC2 P相比，在高劑量條件下，放電頻率和幅度的降低發(fā)生得更早、更突然。此外鈣成像顯示，在第5天只有H1N1-P 10μL組保持可檢測的Ca2+瞬時變化，而所有其他暴露病毒的心肌細(xì)胞均表現(xiàn)出規(guī)則的Ca2+振蕩完全喪失，表明有組織的收縮停止。這些結(jié)果表明，多模式生物傳感平臺用于實(shí)時監(jiān)測心肌細(xì)胞功能衰退的實(shí)用性，并提供了對病毒誘導(dǎo)心肌損傷的機(jī)制見解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論
本研究開發(fā)了基于心肌細(xì)胞的多模式生物傳感平臺，用于研究體外呼吸道病毒誘導(dǎo)的心肌炎。通過使用SARS-CoV-2和H1N1假病毒模擬了病毒感染過程，并系統(tǒng)評估了心肌細(xì)胞中由此產(chǎn)生的功能變化。該平臺促進(jìn)了對電生理活動和鈣信號的實(shí)時監(jiān)測，揭示了與病毒性心肌炎臨床表現(xiàn)一致的病毒劑量依賴性惡化，這種生物傳感可作為臨床前心臟安全性評價和疾病研究的有效工具。