化疗药物引起的心脏毒性是癌症治疗中的不良副反应。治疗中引入心脏保护剂是缓解心脏毒性的重要策略。然而，化疗药物剂量与心脏保护剂在不同阶段对心肌细胞功能的具体影响尚未明确，原因之一是缺乏对药物处理下心肌细胞功能的实时监测手段。扫描电化学显微镜（Scanning electrochemical microscopy，SECM）作为一种微区电化学表征技术，可实时、无损、无标记的监测活细胞的多项功能参数，为研究细胞对药物的响应提供了有力工具。

在此背景下，西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）李菲课题组联合西安交通大学第一附属医院肿瘤内科杨谨教授，应用SECM技术研究了化疗药物阿霉素（Doxorubicin，DOX）对心肌细胞功能的影响以及心脏保护剂比索洛尔对心肌细胞的保护效果，获得了心肌细胞对药物作用的响应数据，揭示了DOX对心肌细胞功能的剂量依赖性损伤和比索洛尔在心脏毒性发展过程中的保护作用（图1）。相关成果近期发表于美国化学会Analytical Chemistry上。

图1.体外DOX心肌毒性模型构建和应用SECM原位监测DOX与比索洛尔对心肌细胞功能影响示意图

研究内容简介

该研究首先在模拟了心肌组织刚度（21.7±0.8 kPa）的聚丙烯酰胺水凝胶上培养大鼠的原代心肌细胞。之后，为模拟不同程度的DOX心脏毒性，分别加入0.25、1.0和5.0 μM的DOX，构建了体外DOX心肌毒性模型。细胞活力与细胞内活性氧（Reactive oxygen，ROS）检测结果显示，随着DOX浓度升高，细胞活力逐步降低，ROS水平显著上升，表明心肌细胞损伤呈剂量依赖性加重，其机制与细胞死亡通路激活及氧化应激增强有关（图2）。

图2.不同浓度DOX处理后心肌细胞活力与细胞内ROS水平分析结果

随后，应用SECM原位监测了DOX心肌毒性模型中心肌细胞的呼吸活性、收缩频率和膜通透性。结果显示，在0.25-5.0 μM DOX药物浓度作用下，心肌细胞的呼吸活性和收缩频率显著下降，膜通透性增加，表明DOX通过剂量依赖性的方式对心肌细胞的能量代谢、收缩功能及膜结构造成损伤（图3）。

图3.SECM对DOX心肌毒性模型中心肌细胞的（A）呼吸活性；（B）搏动频率；（C）膜通透性的原位表征结果

最后，该研究应用SECM对心脏保护剂比索洛尔对心肌细胞的功能保护作用进行了研究。结果表明，比索洛尔能显著改善受损心肌细胞的呼吸活性、收缩频率并降低其膜通透性，并发现比索洛尔对1.0 μM DOX对应的损伤阶段的心肌细胞的保护效果最佳（图4）。

图4.应用SECM研究比索洛尔在DOX心肌毒性模型中对心肌细胞功能的保护作用

该研究揭示了DOX的剂量依赖性损伤效应，明确了比索洛尔的最佳保护效果。为化疗药物引起的心脏毒性及心脏保护剂作用机制提供了细胞原位表征数据，为深入理解化疗相关心脏毒性病理机制及防治策略提供了参考。该研究成果以“Doxorubicin-Induced Toxicity and Bisoprolol Protective Efficacy for Cardiomyocytes Monitored by Scanning Electrochemical Microscopy”为题发表在美国化学会旗下期刊Analytical Chemistry上，通讯作者为西安交通大学生命科学与技术学院仿生工程与生物力学研究所（BEBC）李菲教授和西安交通大学第一附属医院杨谨教授，文章第一作者是西安交通大学生命科学与技术学院博士生宋静静，文章共同作者包括西安交通大学生命科学与技术学院博士生刘禹霖、赵宇翔、朱彤、叶朝阳、张俊杰、周彦副教授等。

论文信息

Doxorubicin-Induced Toxicity and Bisoprolol Protective Efficacy for Cardiomyocytes Monitored by Scanning Electrochemical Microscopy,J. J. Song, Y. L. Liu, Y. X. Zhao, T. Zhu, Z. Y. Ye, J. J. Zhang, Y. Zhou, J. Yang*, F. Li*,Anal. Chem., 2025, 97, 18036–18045

原文链接:https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c02043

BEBC理念

西安交通大学仿生工程与生物力学研究所（BEBC）围绕“重大疾病诊治”领域中共性科学问题和技术挑战，按照“临床重大需求牵引-生物力学理论创新-医工核心技术突破-临床转化应用推广”的研究思路，创立了“多尺度生物热-力-电耦合学”，开拓了“力-医学”学科新方向，提出了“细胞智能”颠覆性概念和技术。BEBC立足力学基础理论，交叉融合材料、化学、生物、医学等领域，按照“临床问题（BED）-实验室研究（BENCH）-临床应用（BED）”的研究思路，在力学微环境领域开展了从组织到细胞和分子尺度的多尺度生物热-力-电耦合学等基础和应用研究，为阐明重大疾病的发病机理和临床诊疗提供有效的理论指导和技术方案。

近年来，BEBC在生物力学和力学生物学的研究基础上，通过工程学手段，将不同尺度的力学调控引入疾病诊疗，开展了一系列的“力医学（mechanomedicine）”研究，同时正在结合数据科学与人工智能将智能算法融入临床医学，积极开拓基于AI赋能的“数智力医学”研究领域。相关代表性研究成果发表于《自然材料》（Nature Materials）、《自然化学》（Nature Chemistry）、《自然生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）、《自然通讯》（Nature Communications ）、《科学进展》（Science Advances）、《美国科学院院报》（PNAS）等期刊。在国内医学权威期刊上系统阐释了力医学在不同疾病中的应用及前景。