研究背景
呼吸道病毒诱导的心肌炎（RVIM）代表着一个不断升级的临床挑战，这归因于流感和严重急性呼吸综合征等病毒感染的不断上升和广泛存在。这种类型的心肌炎通常与恶性心律失常和急性心功能障碍有关，需要灵敏的诊断工具来检测早期阶段的功能异常。浙江大学胡宁团队在ACS Nano (IF 16.0)上发表文章“Cardiomyocyte-Based Multimodal Biosensing Platform for Dynamic Functional Assessment of Bioinspired Engineered Respiratory VirusInduced Myocarditis”，开发了一个多模式生物传感平台，集成微电极阵列（MEA）电生理与钙成像，能够以单细胞分辨率同时动态监测多个心肌细胞中的电活动和钙瞬变。
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实验细胞
原代新生大鼠心肌细胞
病毒产品
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
荧光结果表明假病毒成功转染心肌细胞
结果展示
1. SARS-CoV-2和H1N1假病毒感染对心肌细胞的影响
为了评估心肌细胞对假病毒进入的敏感性，作者使用SARS-CoV-2假病毒(SC2-P)和H1N1假病毒(H1N1−P)感染心肌细胞，免疫荧光染色证实了感染的心肌细胞内存在病毒包膜蛋白。此外假病毒携带GFP报告基因，作者还观察到心肌细胞中的GFP表达水平与感染后病毒浓度之间存在正相关。用5μL假病毒处理的心肌细胞在两组中都显示出明显的GFP荧光，尽管与SC2-P相比，H1N1-P处理组的信号较弱。但在较高的病毒剂量（10和20μL）下，两种假病毒之间的GFP表达程度变得相似，这表明在较高的病毒滴度下，它们最终实现的感染效果趋于一致。这些发现证实了两种类型的假病毒都能够以剂量依赖的方式有效转导原代心肌细胞。这些发现证实了两种类型的假病毒都能够安全、可控地建模心脏细胞中早期病毒进入过程，从而为开发用于呼吸道病毒诱导的心肌炎诊断评估的多模式生物传感平台奠定基础。这种假病毒模拟模型提供了一种生理相关且可扩展的方法，用于在明确定义的实验条件下研究感染相关的心肌功能障碍。
图1 SARS-CoV-2和H1N1假病毒感染对心肌细胞的影响
2. 用于评估心肌细胞功能的多模式生物传感系统
作者建立了一个多模式生物传感平台，集成微电极阵列（MEA）电生理与钙成像，用于评估RVIM，并通过原代心肌细胞在MEA芯片表面培养，证实了该系统的生物相容性。实验表明心肌细胞感染假病毒后表现出明显的功能改变，SC2-P引起心肌细胞自发放电率显著增加，场势幅度显著增强，而H1N1-P提高了放电率，但不影响幅度。统计分析证实，SC2-P导致两个参数相对于对照的稳健增强，而H1N1−P选择性地加速了放电频率。为了进一步阐明细胞机制，作者评估了细胞内钙动态。发现在对照条件下，细胞表现出与其自发跳动的规则Ca2+振荡，SC2-P显著增加了Ca2+瞬时现象的频率，并且相对于对照也提高了其幅度，H1N1-P暴露加速了Ca2+的瞬时频率，但没有显著改变Ca2+峰值幅度，反映了其对电发射率的选择性影响。这些该结果表明，该系统通过区分SARS-CoV-2与H1N1假病毒的影响，证明了其用于建模病原体特异性心脏反应的实用性。
图2 用于评估心肌细胞功能的多模式生物传感系统
3. 呼吸道假病毒致心肌细胞损伤的动态功能评估
为了模拟RVIM的临床进展，作者使用传感平台监测了假病毒感染时间和剂量对心肌细胞的影响，发现未感染和WT心肌细胞中始终具有一致的放电速率和信号幅度，但暴露于假病毒的心肌细胞表现出过度兴奋的早期阶段，随后显著下降。标准化分析显示，在暴露后1天内，SC2-P和H1N1-P组均表现出相对于基线升高的峰值放电率，表明早期过度兴奋，但仅在SC2-P组中观察到场势幅度的短暂增加，在H1N1-P感染的细胞中没有检测到明显的幅度变化。此外SC2-P感染的心肌细胞的放电率和幅度增强在较低剂量下比在较高剂量下更明显，表明高剂量暴露加速了细胞损伤的发生，而不是进一步增强兴奋功能。在第5天，所有感染组的放电率均下降到低于对照水平，特别是高剂量条件下，自发峰峰值几乎完全沉默，场势信号大大减弱或完全消失。在SC2-P感染的心肌细胞中，随着感染的进展，观察到两个参数逐渐下降，剂量越高会导致信号衰减更快、更明显。H1N1-P组表现出相似的总体模式，但与SC2 P相比，在高剂量条件下，放电频率和幅度的降低发生得更早、更突然。此外钙成像显示，在第5天只有H1N1-P 10μL组保持可检测的Ca2+瞬时变化，而所有其他暴露病毒的心肌细胞均表现出规则的Ca2+振荡完全丧失，表明有组织的收缩停止。这些结果表明，多模式生物传感平台用于实时监测心肌细胞功能衰退的实用性，并提供了对病毒诱导心肌损伤的机制见解。
图3 呼吸道假病毒致心肌细胞损伤的动态功能评估
实验结论
本研究开发了基于心肌细胞的多模式生物传感平台，用于研究体外呼吸道病毒诱导的心肌炎。通过使用SARS-CoV-2和H1N1假病毒模拟了病毒感染过程，并系统评估了心肌细胞中由此产生的功能变化。该平台促进了对电生理活动和钙信号的实时监测，揭示了与病毒性心肌炎临床表现一致的病毒剂量依赖性恶化，这种生物传感可作为临床前心脏安全性评价和疾病研究的有效工具。
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