《PNAS》重磅：细胞形态与基底刚度共同决定心肌收缩功能，HCells 水凝胶模块助力精准复现病生理环境。

然而，这类实验设计在传统条件下并不容易复现。科研人员若要手工制备不同刚度的水凝胶并维持图案化形态的稳定，往往耗时费力，且难以实现标准化。HCells 高通量多模态心肌细胞功能检测系统有效解决了这一难题，将培养条件与功能检测深度整合，使“形状 × 刚度”的研究思路从概念验证转化为可重复、可推广的常规实验。通过标准化耗材与自动化流程，原本繁琐的微环境调控被简化为研究人员可以直接调用的实验模块，大幅提升了实验的一致性与可操作性。

• 可调刚度（2–90 kPa）：10 kPa 复现生理最佳窗口，可模拟多种病生理状态

• 精准形态控制：图案化基质诱导细胞长轴排列，重现最佳形状，避免随意性

• 高通量单细胞分析：每孔 ≥50000 单元，提升统计效能

牵引力显微测试揭示心肌细胞兴奋-收缩耦合的力学基础

牵引力

钙瞬变成像揭示心肌细胞兴奋-收缩耦合的信号机制

钙瞬变

肌节运动分析揭示心肌细胞兴奋-收缩耦合的结构动力

肌节运动

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PNAS论文全揭秘

这篇 PNAS 的研究以 hPSC-CMs 为模型，系统性地证明了外部微环境对单细胞收缩功能的决定性作用。通过图案化几何与可控基底刚度，研究者揭示了两个核心规律：其一，形态约束驱动肌原纤维沿长轴对齐，从而显著提升收缩力与功能一致性；其二，存在一个接近 10 kPa 的“生理刚度窗口”，在该范围内细胞的力学输出与结构完整性最优，而偏软或偏硬的条件都会导致力学衰减与肌原纤维损伤。进一步的功能检测表明，在形态与刚度双重优化下，细胞不仅收缩力增强，还在钙信号传播、线粒体分布及动作电位等方面展现出更成熟的表型。这一系列结果串联起“外形—力学—结构—功能”的因果链条，阐明了心肌细胞在单细胞层面实现成熟和高效收缩的基本条件。

从整体来看，这项工作不仅为心肌发育和心肌病理机制研究提供了坚实证据，也为体外疾病建模与药物筛选建立了方法学基础。研究告诉我们，单细胞的功能状态并非孤立存在，而是与其力学环境紧密耦合；通过调控形态与刚度，就能够在实验室中精确重建心肌细胞的病生理状态。这一发现为后续探索心肌疾病的发生发展提供了可复制的模型，也为干预性研究指明了方向。

01

• 方法：利用 Matrigel 微图案与可测牵引力的水凝胶，把 hPSC-CMs（人多能干细胞来源心肌细胞）限制为不同长宽比（1:1–7:1）的形态。

• 结果：在相同细胞面积条件下，显微图像显示细胞形态可控；肌动蛋白成像表明肌原纤维排列随长宽比变化；牵引力显微显示最大牵引力分布与细胞几何密切相关。

• 结论：微图案培养不仅能塑造细胞外形，还能工程化地调控其力学输出。

02

方法：比较不同长宽比心肌细胞的肌原纤维取向与收缩力；利用 Lifeact 标记测量肌节缩短。

结果：细胞纵横比升高（特别是 7:1）时，收缩总力 Σ|Fc| 显著上升；肌节缩短幅度更大；肌原纤维主要沿长轴运动；对齐指数随长宽比增加而升高。

结论：肌原纤维沿长轴有序排列能提升收缩力，细胞形态是决定力学性能的关键因素。

03

方法：在不同基底刚度（10 与 35 kPa）以及外加拉伸条件下检测单细胞力学输出与肌原纤维完整性。

结果：10 kPa 基底上收缩力更高，而 35 kPa 上肌原纤维出现断裂、功能下降；外加约 14% 拉伸时，肌原纤维破裂、力学输出降低；功率表现为先升高再下降的曲线。

结论：基底刚度与拉伸水平直接影响肌原纤维稳定性和收缩表现，存在一个“最优力学窗口”。

04

方法：比较 7:1 图案化细胞与未图案化细胞的钙信号传播、线粒体分布与电生理特性。

结果：7:1 细胞钙流沿长轴有序传播，而未图案化细胞钙信号呈各向同性；7:1 细胞线粒体分布更接近成熟心肌细胞；动作电位幅度、静息电位与最大上升速率均更成熟。

结论：图案化培养不仅改善了收缩力学，还促进了钙动力学、代谢与电生理的整体成熟，使 hPSC-CMs 更接近成人心肌表型。