重磅｜斯坦福在 Nature Communications 发文：单细胞牵引力的高通量时代来了

滑到最后有彩蛋哦 

图 1｜CONTRAX 工作流程示意：实现牵引力显微的自动化与高通量化

该图展示了 CONTRAX 的整体工作流程，包括自动定位心肌细胞的 Cell-Locator 模块、按细胞坐标批量采集 TFM 视频的自动成像模块，以及基于数字图像相关（DIC）和傅里叶变换牵引力计算（FTTC）的 Streamlined-TFM 分析模块。三部分既可独立使用，也可串联形成一套完整的高通量 TFM 流程，从细胞定位、视频采集到牵引力反演均实现自动化处理。系统生成的位移场、牵引应力和多种力学参数计算方法在补充材料中给出了详细说明。

图 3｜基底刚度显著影响心肌细胞的牵引力、收缩速度与收缩功率

该图展示了 hiPSC-CM 在不同基底刚度（10 kPa 与 35 kPa）下的力学行为差异。研究者在标准化的微图案环境中测量了大量细胞，发现无论从牵引力大小、收缩速度还是功率输出来看，细胞在 35 kPa 基底上的整体表现更强，而在 10 kPa 基底上细胞铺展面积更大但产生的峰值力较低。图中进一步显示，细胞的牵引力会随长宽比增加而上升，在约 7:1 附近达到峰值后再趋于平缓；而收缩力、收缩速度与收缩功率三者之间呈现近似幂律关系，其斜率随刚度而变化，说明机械环境在调控细胞收缩动力学中扮演关键角色。最后的雷达图综合比较了不同刚度下所有力学相关参数，清晰展示出高刚度条件下细胞整体表现更加“成熟化”和“力学化”，包括更快的收缩速度、更高的牵引力与更稳定的动力学输出。这些结果共同强调：基底刚度不仅影响细胞的形态，也深刻参与其功能调控，是研究心肌细胞收缩行为的重要实验变量。

图 4｜在相同基底刚度下，不同培养基条件共同决定心肌细胞的收缩力、速度与功率表现

该图比较了 hiPSC-CM 在相同的 10 kPa 基底上、但处于两种不同培养基（M16lac 与 M16glu）条件下的力学表现。结果显示，M16glu 培养基会使细胞普遍呈现更大的铺展面积和更高的长宽比，而这类形态差异进而反映到力学输出中：细胞的收缩力随长宽比增加而上升，但在两种培养条件下整体趋势一致，仅在中间区间（约 3–6 的长宽比）出现轻微差异。此外，细胞的收缩力、收缩速度与收缩功率之间依旧呈现幂律关系，在对数坐标下显示为线性分布，而培养基成分对这一关系的影响十分有限，仅在斜率上表现出极弱的差异。最后的雷达图整合了所有形态与力学指标，显示 M16glu 细胞在形态和部分动力学参数上略有增强，而 M16lac 细胞在收缩时序上更为稳定。整体而言，本图说明：在固定机械环境下，培养基成分仍能显著塑造细胞形态，并在部分维度上影响其收缩动力学，但不改变力、速度与功率之间的统一规律性。

图 5｜长期培养显示：M16lac 能更好支持心肌细胞的生长与功能成熟，且在高刚度基底上优势更为明显

该图呈现了 hiPSC-CM 在 20 天培养周期内的形态与收缩功能随时间变化的规律，并对比了两种培养基（M16lac 与 M16glu）之间的显著差异。首先，在细胞存活与生长方面，气球图清楚显示 M16glu 组细胞死亡更早，尤其在较硬的 35 kPa 基底上更为明显；而 M16lac 不仅细胞存活时间更长，细胞面积也随时间呈上升趋势，显示出更持续的生长能力。其次，CONTRAX 对大量细胞的长期动力学记录表明：收缩力、细胞面积等核心指标在 M16lac 条件下随时间持续提升，而 M16glu 组的增长势头较弱，甚至出现功能停滞或下降。图中的折线、误差棒与回归趋势共同显示：无论是 10 kPa 还是 35 kPa，M16lac 均能促使细胞力学性能更稳定地向“成熟型收缩模式”演化。右侧的归一化曲线进一步揭示：在 20 天的培养过程中，两种培养基之间的功能差距会逐渐拉开，M16lac 的优势累积效应明显。最终的雷达图综合了形态、应力、动力学和时序等多维度参数，形成一目了然的对比图谱，显示 M16lac 在多数功能指标上均优于 M16glu，且与对照组（Day 20、10 kPa、M16lac）更为一致。总体来看，本图展示了一个清晰趋势：心肌细胞的长期功能成熟不仅受机械环境影响，更受到培养基代谢类型的深刻调控，而乳酸型培养基（M16lac）显然更利于 hiPSC-CM 的持续成熟化与长期稳定收缩。

图 6｜大规模单细胞数据揭示心肌细胞的多维力学生物学异质性：八类功能表型在不同条件下各具特征

本图利用研究团队构建的超大规模 TFM 数据集（成千上万个 hiPSC-CM 单细胞）进行高维聚类分析，展示了心肌细胞在功能层面的复杂异质性。通过 X-shift KNN 密度估计算法，数据被分为八个功能表型簇，每个簇都由不同的力学与动力学参数（如收缩力、速度、应变能、时序等）共同定义。纵向跟踪数据显示，在标准条件（M16lac、10 kPa）下，单个细胞在 20 天培养过程中会沿着各自的轨迹在高维空间移动，部分细胞朝更成熟、更高力输出的方向发展，而另一些则停留在低动力学状态，体现出强烈的个体差异。进一步的参数分布比较显示，各个簇拥有截然不同的力学特征，例如部分簇以高峰值力为主导，部分簇以快速动力学为特征，也有簇表现为整体低幅度、低速度的弱收缩型状态。更值得注意的是，在第 20 天时，同一培养基（M16lac）下的细胞会因基底刚度不同而进入不同簇：10 kPa 条件主要分布在簇 2 和簇 5，而 35 kPa 则更多集中在簇 4 和簇 8，体现出刚度对力学表型分布的强力调控。但当仅比较培养基成分（M16glc vs M16lac）时，这种聚类分布差异并不显著，说明代谢环境对力学表型的影响弱于机械环境。整体而言，本图强调：在高通量数据支持下，心肌细胞的功能成熟与状态变化呈现出高度复杂的多维分布，而机械环境在塑造这些表型簇时的影响最为关键。

图 7｜以细胞形态进行“类 FACS 门控”可快速识别不同功能亚群，形态最优的细胞表现出最佳的收缩成熟轨迹

该图展示了研究团队如何借鉴流式细胞仪（FACS）的思路，通过细胞形态参数（面积与长宽比）对数千个 hiPSC-CM 进行“门控式分群”，从而快速识别具有不同力学表型的功能亚群。研究者利用第 20 天、M16lac、10 kPa 条件下的中位面积与中位长宽比作为分界线，将所有细胞划分为四个象限。结果显示，形态最理想、面积较大且长宽比适中的第一象限（Quadrant I）与 Fig.6 中的功能簇 2 与簇 4 高度重叠，这些细胞往往表现出更高的收缩力、更快的动力学参数及更成熟的周期性；而簇 1、3、5、7 等低功能群几乎不出现在该象限中。进一步的纵向跟踪显示，Quadrant I 内的细胞在 20 天培养周期中逐渐向一个更均一、更高效的收缩表型靠拢，而其他象限的细胞则表现出明显的异质性与较弱的成熟趋势。最后的归一化分析指出，尽管四个象限的细胞在形态上差异巨大，但就“随时间提升收缩力”这一指标而言，Quadrant I 与 Quadrant II 仍表现出最好的增长轨迹，尤其是在 M16lac、10 kPa 条件下增强最为明显。整体而言，本图说明：通过简单的形态参数就可以有效预测 hiPSC-CM 的功能状态，而形态最佳的细胞亚群往往具有最强的功能成熟潜力。

图 8｜Mavacamten 在 1 小时内快速抑制心肌细胞收缩力与收缩速度，而形态变化轻微

该图展示了 Mavacamten（临床用于治疗肥厚型心肌病的肌球蛋白抑制剂）在短时间内对 hiPSC-CM 收缩功能的急性影响。药物处理后，细胞面积略有增加，而长宽比并无显著变化，说明 Mavacamten 对细胞形态影响有限。然而在力学功能层面，药物作用十分明显：细胞的总牵引力和收缩速度均显著下降，收缩持续时间却保持不变，提示药物主要削弱的是“收缩强度与动力学”，而非改变收缩节律或周期结构。雷达图进一步整合所有参数，显示形态（绿色）、应力（蓝色）与动力学指标（红色）均出现明显压低，尤其是与心肌收缩主动过程相关的指标下降最为显著。这一结果与 Mavacamten 的分子作用机制高度吻合：药物通过抑制肌球蛋白 ATP 酶活性降低横桥循环效率，从而直接导致收缩力与动力输出的快速衰减。整体而言，本图展示了 CONTRAX 在药物作用评估上的高分辨率能力：即便是短至 1 小时的急性处理，也能在单细胞尺度上清晰捕捉到功能下降的多维度变化。

图 9｜高刚度基底会放大 DMD 突变导致的心肌细胞收缩损伤，揭示机械环境与遗传缺陷的协同效应

本图对比了健康 hiPSC-CM 与携带 Duchenne Muscular Dystrophy（DMD）突变的心肌细胞在两种基底刚度（10 kPa 与 35 kPa）上的收缩表现，显示出机械环境如何加剧情形。雷达图表明，在正常的 10 kPa 环境中，DMD 细胞虽表现出一定程度的收缩力下降与动力学削弱，但整体表型仍相对接近正常细胞；然而在更硬、类似纤维化的 35 kPa 基底上，DMD 细胞呈现显著的全面性退化，包括牵引力、收缩功率、收缩速度与时序稳定性等多项指标明显降低。对数坐标下的幂律（square-law）关系进一步显示 DMD 细胞的力—速度—功率关系的斜率显著减弱，反映其动力输出体系发生根本性破坏。形态方面，虽然 DMD 细胞面积降低，但长宽比没有改变，说明其功能缺陷主要源自分子病理机制，而非形态重塑。最具说服力的是，硬基底条件显著加重了 DMD 细胞的收缩力损失与同步性破坏，而 10 kPa 环境下这种差异并不明显，提示基底硬化会放大遗传病导致的功能脆弱性。整体而言，本图揭示了一个关键生物学事实：遗传性心肌病的表型强度并非固定不变，而是会被细胞所处的力学微环境显著调制。

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