研究背景
呼吸道病毒誘導的心肌炎（RVIM）代表著一個不斷升級的臨床挑戰，這歸因于流感和嚴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，需要靈敏的診斷工具來檢測早期階段的功能異常。浙江大學胡寧團隊在ACS Nano (IF 16.0)上發表文章“Cardiomyocyte-Based Multimodal Biosensing Platform for Dynamic Functional Assessment of Bioinspired Engineered Respiratory VirusInduced Myocarditis”，開發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，能夠以單細胞分辨率同時動態監測多個心肌細胞中的電活動和鈣瞬變。
· 維真助力 - 假病毒 ·
實驗細胞
原代新生大鼠心肌細胞
病毒產品
SARS-CoV-2假病毒、H1N1假病毒
病毒滴度
7.26x108IU/mL
病毒用量
5μL/孔、10μL/孔、20μL/孔
熒光結果表明假病毒成功轉染心肌細胞
結果展示
1. SARS-CoV-2和H1N1假病毒感染對心肌細胞的影響
為了評估心肌細胞對假病毒進入的敏感性，作者使用SARS-CoV-2假病毒(SC2-P)和H1N1假病毒(H1N1−P)感染心肌細胞，免疫熒光染色證實了感染的心肌細胞內存在病毒包膜蛋白。此外假病毒攜帶GFP報告基因，作者還觀察到心肌細胞中的GFP表達水平與感染后病毒濃度之間存在正相關。用5μL假病毒處理的心肌細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表達程度變得相似，這表明在較高的病毒滴度下，它們最終實現的感染效果趨于一致。這些發現證實了兩種類型的假病毒都能夠以劑量依賴的方式有效轉導原代心肌細胞。這些發現證實了兩種類型的假病毒都能夠安全、可控地建模心臟細胞中早期病毒進入過程，從而為開發用于呼吸道病毒誘導的心肌炎診斷評估的多模式生物傳感平臺奠定基礎。這種假病毒模擬模型提供了一種生理相關且可擴展的方法，用于在明確定義的實驗條件下研究感染相關的心肌功能障礙。
圖1 SARS-CoV-2和H1N1假病毒感染對心肌細胞的影響
2. 用于評估心肌細胞功能的多模式生物傳感系統
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，并通過原代心肌細胞在MEA芯片表面培養，證實了該系統的生物相容性。實驗表明心肌細胞感染假病毒后表現出明顯的功能改變，SC2-P引起心肌細胞自發放電率顯著增加，場勢幅度顯著增強，而H1N1-P提高了放電率，但不影響幅度。統計分析證實，SC2-P導致兩個參數相對于對照的穩健增強，而H1N1−P選擇性地加速了放電頻率。為了進一步闡明細胞機制，作者評估了細胞內鈣動態。發現在對照條件下，細胞表現出與其自發跳動的規則Ca2+振蕩，SC2-P顯著增加了Ca2+瞬時現象的頻率，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，反映了其對電發射率的選擇性影響。這些該結果表明，該系統通過區分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的實用性。
圖2 用于評估心肌細胞功能的多模式生物傳感系統
3. 呼吸道假病毒致心肌細胞損傷的動態功能評估
為了模擬RVIM的臨床進展，作者使用傳感平臺監測了假病毒感染時間和劑量對心肌細胞的影響，發現未感染和WT心肌細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胞表現出過度興奮的早期階段，隨后顯著下降。標準化分析顯示，在暴露后1天內，SC2-P和H1N1-P組均表現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感染的細胞中沒有檢測到明顯的幅度變化。此外SC2-P感染的心肌細胞的放電率和幅度增強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胞損傷的發生，而不是進一步增強興奮功能。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感染的心肌細胞中，隨著感染的進展，觀察到兩個參數逐漸下降，劑量越高會導致信號衰減更快、更明顯。H1N1-P組表現出相似的總體模式，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胞均表現出規則的Ca2+振蕩完全喪失，表明有組織的收縮停止。這些結果表明，多模式生物傳感平臺用于實時監測心肌細胞功能衰退的實用性，并提供了對病毒誘導心肌損傷的機制見解。
圖3 呼吸道假病毒致心肌細胞損傷的動態功能評估
實驗結論
本研究開發了基于心肌細胞的多模式生物傳感平臺，用于研究體外呼吸道病毒誘導的心肌炎。通過使用SARS-CoV-2和H1N1假病毒模擬了病毒感染過程，并系統評估了心肌細胞中由此產生的功能變化。該平臺促進了對電生理活動和鈣信號的實時監測，揭示了與病毒性心肌炎臨床表現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。
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