心脏是一种机电器官，可以通过电压脉冲、钙离子波和机械收缩的形式捕捉其功能。遗传病、压力、药物或衰老都可能导致这些波浪中的任何一个中断，并使一个人的生命处于危险之中。心脏电生理学和机电学研究此类波如何发挥作用，以及什么可以使它们保持稳定和安全。
生物工程师最近采用人类诱导的多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CM)作为人类心脏的模型。这种“芯片实验室”人类心脏可用于研究这些心脏波响应各种刺激的中断，使用患者自己的重新编程细胞。光学成像可以帮助可视化波浪，但为此需要高灵敏度的高速相机，而且每台相机都很昂贵，大约需要100,000美元。
在此背景下，由美国乔治华盛顿大学的EmiliaEntcheva领导的研究人员现已开发出一种用于全光心脏电生理学的便携式低成本宏观绘图系统。他们没有使用电刺激，而是使用光(光遗传学刺激)在hiPSC-CM中触发电压、钙波和机械收缩。“光遗传学使用在人类细胞中基因表达的藻类光敏蛋白，以类似于使用电脉冲实现的方式控制它们。然而，光的利用可以在没有任何布线的情况下以非接触方式同时刺激许多样品。这是电脉冲无法做到的，”Entcheva解释道。他们的工作最近发表在《生物医学光学杂志》上.
为了使他们的系统负担得起，研究人员使用了廉价的高速机器视觉CMOS相机，其价格比通常用于此目的的科学CMOS相机低100倍。实验室博士后和第一作者YuliHeinson构建了一个多相机系统，利用LED和现成的组件进行刺激和控制。使用倾斜的LED照明可以在对厘米级区域进行成像时，辨别小机械收缩的局部无染料信号。“它可能代表了一种基于干扰的检测机制，”Entcheva说。整个可重新配置的多相机设置成本不到15,000美元，外形小巧，即比传统设计更小，而且便于携带。
系统就位后，研究人员广泛量化了不同实验条件对测量波参数的影响。使用不同功率的照明，他们表明hiPSC-CM的电刺激和光遗传学刺激是等效的。然而，由于钙波是使用绿光可激发荧光传感器成像的，并且这种光也可能部分激活基于蓝光的光遗传学致动器，研究人员发现需要使用极低的光照才能不改变钙波速度。电压和钙图在受控的电或光遗传学起搏条件下提供了类似的信息。这些波的速度随温度和所用实验溶液的类型而变化。
最后，研究人员介绍了他们系统的潜在应用。该系统被证明可以检测由于靶向细胞-细胞耦合的药物引起的传导变化。此外，它的透照模式可以重新配置为落射照明设置，用于对较厚的样本进行成像，例如心脏图像切片或整个心脏的表面。
新颖的全光学设置的优势不仅限于上述演示。设置设计中多个光学传感器和执行器的组合可以处理光谱拥塞并避免参数失真。这项新技术可以帮助表征hiPSC-CM以及进一步的基础和转化心律失常研究，这是该论文的合著者JulieHan在博士研究期间正在进行的工作。此外，它可以在不久的将来为其他实际医学科学应用打开大门。
“源自患者的细胞能够对最合适的药物组合进行个性化测试。因此，开发的技术可以帮助决定患者的最佳治疗方法，促进有效和安全的治疗，”Entcheva说。“此外，任何药物开发都经过临床前心脏毒性安全性测试。所提出的廉价系统可以帮助设计出更好更快的检测方法，从而挽救生命和金钱。它的紧凑性可以允许部署在大型制药相关实验室以及资源较少的环境中，例如学术实验室和发展中国家，”她总结道。
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