力-电耦合微环境对心肌细胞形态和多行为影响的扫描探针显微镜研究

Construction of coupled mechano-electrical cardiomyocyte microenvironment to mimic the state of heart disease, and study of the synergic influences and action mechanism of mechanical and electrical factors on the morphology and behaviors of cardiomyocytes are of great significance for understanding the pathology of heart disease. This proposal combines biological materials, biomechanics and characterization techniques of electroanalytical chemistry. First, the bi-functional hydrogel materials with both mechanical and conducting properties are synthesized for construction of the coupled mechano-electrical cardiomyocyte microenvironment model. Then, the mechanical force and electric field are applied on hydrogels to regulate the mechanical and electrical microenvironment. The scanning electrochemical microscopy (SECM) and scanning ion conductance microscopy (SICM) techniques, with the advantage of in situ characterization of cells, are combined together and applied to in situ and simultaneously characterize the morphology (micro/nano-morphology of cell membrane, cell volume) electrophysiological (ion channel, membrane potential), chemical (activity, released chemical molecules) and mechanical (stiffness of cell membrane) behaviors of cardiomyocytes in the coupled mechano-electrical microenvironment. The synergic influences and action mechanisms of mechanical and electrical factors on the cellular morphology and behaviors are studied. The relationship between cardiomyocyte morphology and behaviors are explored. This work will provide the important cell-level research references for the study of pathology of heart disease.

构建模拟心脏病态下的心肌细胞力-电耦合微环境模型，研究力、电因素对心肌细胞形态和行为的协同影响和作用机制，对心脏疾病病理学研究具有重要意义。本项目将生物材料、生物力学和电分析化学表征技术结合，首先制备具有力-电双功能的水凝胶复合材料用于心肌细胞力-电耦合微环境模型的构建，通过对水凝胶力学和电场加载实现对心肌细胞力学和电学微环境调控的目的。之后，将在细胞原位表征方面具有优势的扫描电化学显微镜（SECM）和扫描离子电导显微镜（SICM）两种技术联合，对力-电耦合微环境中心肌细胞的形态（细胞膜微/纳观形貌、细胞体积）、电生理（离子通道、膜电位）、化学（活性、释放的化学小分子）、力学（细胞膜硬度）等多种行为参数进行同时原位表征，探究力、电因素对心肌细胞形态和多种行为的协同影响和作用机制，以及心肌细胞形态和多种行为之间的关联性，为心脏疾病病理学研究提供细胞尺度研究的重要参考。

构建模拟心脏病态下的心肌细胞力-电微环境模型，研究力、电因素对心肌细胞形态和行为的影响和作用机制，对心脏疾病病理学研究具有重要意义。本项目将生物材料、生物力学和电分析化学表征技术结合，首先基于制备的硬度可调和导电水凝胶材料成功构建了心肌细胞力-电微环境模型，并搭建了含扫描电化学显微镜（SECM）和扫描离子电导显微镜（SICM）双功能的电化学扫描探针显微镜，实现了力-电微环境中心肌细胞力-电加载和心肌细胞形貌和生化行为等多参数原位表征的细胞电化学分析平台的搭建。之后，应用搭建的SECM对力学微环境模型中基质硬度对心肌细胞和心肌成纤维细胞氧化还原水平的影响进行了研究，揭示了心肌细胞和心肌成纤维细胞氧化还原状态与所处力学微环境间的关系。应用SECM对电学微环境模型中电场强度、电刺激时间等对心肌细胞形态、耗氧量和膜通透性的影响进行了原位表征，得到了心肌细胞活性、功能与电刺激参数间的关系。本项目的研究成果可为深入理解心肌纤维化过程中基质硬度对心肌细胞生化行为的影响和心肌组织工程电学微环境模型的构建和电损伤研究提供重要参考，为心脏疾病病理学研究提供重要的细胞尺度原位表征数据和细胞电化学分析与成像表征技术。在本项目资助下共计发表论文13篇（SCI论文11篇，中文核心期刊论文2篇），授权发明专利2项，获厅级科技奖励2项；项目组成员参加国际国内学术会议18人次，邀请国内外专家交流访问9人次；培养博士和硕士研究生8名（7名毕业，1名在读）。并且，相关研究成果成功举办3次青少年科普公益活动。