模拟在体心肌组织生理、结构特征的体外心肌组织模型是心脏疾病治疗和研究的重要工具，被广泛应用于心脏生理、病理机制研究以及新药药效和毒性筛查中。然而，在体外心肌组织的应用研究中，使用传统表征手段无法原位检测可直接表现其代谢活性和电生理状态的三个重要指标：呼吸活性、氧化应激（如H₂O₂）水平、搏动频率。这是由于心肌组织的这三个指标对外源性刺激响应迅速，并且与心肌组织的即时状态密切相关，易受检测手段自身的干扰。因此，需要可表征心肌组织这三个参数非侵入式的原位表征新技术。扫描电化学显微镜（scanning electrochemical microscopy，SECM）作为一种微区电化学技术，可实现对活细胞或组织所消耗或释放化学小分子的高时空分辨的原位、无标记检测，可作为原位表征体外心肌组织呼吸活性、H₂O₂水平和搏动频率的理想工具。

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）研究人员构建了体外心肌组织模型，结合电位可编程SECM技术实现了对体外心肌组织的呼吸活性、H₂O₂水平、搏动频率以及药物（异丙肾上腺素、普萘洛尔）作用下心肌组织即时响应行为的原位、实时表征。

该工作首先通过在聚丙烯酰胺水凝胶上对小鼠的心肌细胞和心肌成纤维细胞进行了共培养，并通过对细胞进行电刺激实现了体外心肌组织模型的构建。之后，应用SECM结合在探针电极上施加可编程的脉冲波形电位技术，实现了对心肌组织的形貌和呼吸活性的同时且长时间的追踪与电化学成像。使用该方法原位表征了异丙肾上腺素（一种β受体激动剂）和普萘洛尔（一种β受体抑制剂）两种药物作用下心肌组织的形貌和呼吸活性。结果表明，加入两种药物后心肌组织的形貌没有明显变化，但异丙肾上腺素作用下心肌组织的呼吸活性呈现先上升后恢复的趋势，而普萘洛尔作用下心肌组织的呼吸活性呈现先平稳后下降的趋势。

应用SECM原位检测了异丙肾上腺素和普萘洛尔加入后心肌组织搏动频率和H₂O₂浓度的即时变化。结果显示，心肌组织在加入异丙肾上腺素后搏动频率先升高后恢复至初始状态，心肌组织周围H₂O₂浓度迅速增加；加入普萘洛尔后，心肌组织搏动频率持续下降之后保持稳定，周围H₂O₂浓度未发生明显变化。该工作首次应用SECM结合可编程脉冲电位技术实现了对体外心肌组织呼吸活性、搏动频率和H₂O₂释放的原位、实时表征, 为心肌组织的代谢和电生理特性的原位、定量表征提供了SECM新技术。

该成果以“In situ and quantitative monitoring of cardiac tissues using programmable scanning electrochemical microscopy”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。该工作得到徐峰教授及BEBC老师和同学们的大力协助，以及国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、陕西省重点研发计划和中央高校基本科研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-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://doi.org/10.1021/acs.analchem.2c01919