心肌组织中心肌细胞处于复杂且持续变化的力学微环境中，其中基质硬度被证实可调控心肌细胞的表型和功能，进而影响心肌细胞的成熟性或引起如心肌肥厚等病理过程。而心肌细胞的结构生长、功能成熟以及病态发展均与细胞的能量摄取和代谢能力相关，表现出细胞氧化还原平衡状态的差异。因此，基质硬度是调控心肌细胞生理、病理过程的重要因素，研究心肌细胞的氧化还原状态与其基质硬度之间的关系有助于深入理解心肌细胞的生理和病理机理。

西安交通大学仿生工程与力学研究所（BEBC）的研究人员首先以不同硬度聚丙烯酰胺水凝胶为基底，构建了体外心肌细胞的力学微环境模型。之后应用在细胞原位表征方面具有优势的扫描电化学显微镜（Scanning electrochemical microscopy，SECM），以二茂铁甲酸（FcCOOH）为氧化还原电对，对不同硬度基质上培养的心肌细胞表面释放的重要的氧化还原态物质—谷胱甘肽（GSH）—与FcCOOH的氧化还原反应动力学常数（k_f）进行了原位表征，得到了不同硬度基底上心肌细胞的氧化还原状态参数。结果发现，生长在越硬基底上的心肌细胞的k_f值越高，表明心肌细胞较高的GSH释放速率。另外，不同基底硬度对心肌细胞氧化还原水平（k_f值）的影响在培养第三天出现显著差异，之后随着培养时间的延长，心肌细胞的k_f值趋于稳定。该结果表明心肌细胞所处的力学微环境对其氧化还原水平具有显著的调控作用。该工作也是首次将扫描电化学显微镜用于细胞力学微环境的研究中，为探究细胞微环境对细胞氧化还原状态的影响提供了单细胞研究SECM新手段。

该成果以“Effect of substrate stiffness on redox state of single cardiomyocyte: a scanning electrochemical microscopy study”为题发表在Analytical Chemistry上。博士生李亚北为第一作者，李菲教授为该文的通讯作者。该工作得到加拿大西安大略大学丁志峰教授和美国哈佛仪器公司Frank Wang博士在理论模拟和技术方面的帮助，以及徐峰教授及BEBC老师和同学们的大力协助。该研究得到国家自然科学基金、中央高校基本业务费等项目的资助。

BEBC基于“临床问题（BED）-实验室研究（BENCH）-临床应用（BED）”的研究策略，将力学、化学、物理学与工程学、生物医学等领域交叉融合，系统开展细胞微环境的基础和应用研究。BEBC李菲教授课题组基于“生命科学基础问题-电化学扫描探针显微镜平台研制-单细胞原位电化学成像与表征”的学术思路，立足于电分析化学方法与技术，结合组织工程学、生物力学和医学等学科，开展疾病相关细胞物理微环境对细胞形态和化学等行为的原位电化学成像和细胞界面过程动力学研究，从单细胞层次探究细胞微环境与细胞病理学的关系。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.9b03178