心肌組織中心肌細(xì)胞處于復(fù)雜且持續(xù)變化的力學(xué)微環(huán)境中，其中基質(zhì)硬度被證實(shí)可調(diào)控心肌細(xì)胞的表型和功能，進(jìn)而影響心肌細(xì)胞的成熟性或引起如心肌肥厚等病理過(guò)程。而心肌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)、功能成熟以及病態(tài)發(fā)展均與細(xì)胞的能量攝取和代謝能力相關(guān)，表現(xiàn)出細(xì)胞氧化還原平衡狀態(tài)的差異。因此，基質(zhì)硬度是調(diào)控心肌細(xì)胞生理、病理過(guò)程的重要因素，研究心肌細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)與其基質(zhì)硬度之間的關(guān)系有助于深入理解心肌細(xì)胞的生理和病理機(jī)理。

西安交通大學(xué)仿生工程與力學(xué)研究所（BEBC）的研究人員首先以不同硬度聚丙烯酰胺水凝膠為基底，構(gòu)建了體外心肌細(xì)胞的力學(xué)微環(huán)境模型。之后應(yīng)用在細(xì)胞原位表征方面具有優(yōu)勢(shì)的掃描電化學(xué)顯微鏡（scanning electrochemical microscopy，SECM），以二茂鐵甲酸（FcCOOH）為氧化還原電對(duì)，對(duì)不同硬度基質(zhì)上培養(yǎng)的心肌細(xì)胞表面釋放的重要的氧化還原態(tài)物質(zhì)—谷胱甘肽（GSH）—與FcCOOH的氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)（k_f）進(jìn)行了原位表征，得到了不同硬度基底上心肌細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在越硬基底上的心肌細(xì)胞的k_f值越高，表明心肌細(xì)胞較高的GSH釋放速率。另外，不同基底硬度對(duì)心肌細(xì)胞氧化還原水平（k_f值）的影響在培養(yǎng)第三天出現(xiàn)顯著差異，之后隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，心肌細(xì)胞的k_f值趨于穩(wěn)定。該結(jié)果表明心肌細(xì)胞所處的力學(xué)微環(huán)境對(duì)其氧化還原水平具有顯著的調(diào)控作用。該工作也是**將掃描電化學(xué)顯微鏡用于細(xì)胞力學(xué)微環(huán)境的研究中，為探究細(xì)胞微環(huán)境對(duì)細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的影響提供了單細(xì)胞研究SECM新手段。

該成果以“Effect of substrate stiffness on redox state of single cardiomyocyte: a scanning electrochemical microscopy study”為題發(fā)表在Analytical Chemistry上。博士生李亞北為**作者，李菲教授為該文的通訊作者。該工作得到加拿大西安大略大學(xué)丁志峰教授和美國(guó)哈佛儀器公司Frank Wang博士在理論模擬和技術(shù)方面的幫助，以及徐峰教授及BEBC老師和同學(xué)們的大力協(xié)助。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

BEBC基于“臨床問(wèn)題（BED）- 實(shí)驗(yàn)室研究（BENCH）- 臨床應(yīng)用（BED）”的研究策略，將力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)與工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域交叉融合，系統(tǒng)開(kāi)展細(xì)胞微環(huán)境的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。BEBC李菲教授課題組基于“生命科學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題-電化學(xué)掃描探針顯微鏡平臺(tái)研制-單細(xì)胞原位電化學(xué)成像與表征”的學(xué)術(shù)思路，立足于電分析化學(xué)方法與技術(shù)，結(jié)合組織工程學(xué)、生物力學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科，開(kāi)展**相關(guān)細(xì)胞物理微環(huán)境對(duì)細(xì)胞形態(tài)和化學(xué)等行為的原位電化學(xué)成像和細(xì)胞界面過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究，從單細(xì)胞層次探究細(xì)胞微環(huán)境與細(xì)胞病理學(xué)的關(guān)系。

文章鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.9b03178