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为探究磁场对心脏组织功能的影响，研究人员用 Halbach 阵列和磁性纳米颗粒（mNPs）处理人 iPSC-CM 合胞体，发现可调制心脏波传导速度，或用于心律失常控制。
在生物医学蓬勃发展的当下，精准操控生物组织的能量源探索成为热门。光、超声和磁场等都被纳入研究范畴，其中磁场因能深入组织，在生物功能控制方面极具潜力。像在磁共振成像（MRI）中，磁场已广泛应用于临床成像；在经颅磁刺激中，它也发挥着重要作用。然而，如何更精准、有效地利用磁场调控生物组织的高级功能，仍是科学界亟待解决的问题。尤其是在心脏疾病领域，心律失常等问题严重威胁人类健康，现有的治疗手段存在诸多不足，因此探索新的治疗方法迫在眉睫。
为了攻克这些难题，来自乔治华盛顿大学（George Washington University）的研究人员展开了一项意义重大的研究。他们将目光聚焦于 Halbach 阵列和磁性纳米颗粒（mNPs），试图探究其对人诱导多能干细胞衍生心肌细胞（iPSC-CMs）宏观合胞体中激发波行为的影响。研究成果发表在《Biophysical Journal》杂志上，为心脏疾病的治疗带来了新的希望。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们精心设计并构建了圆柱形 Halbach 阵列及其配套的支架，该支架能与细胞培养孵育器和成像装置完美兼容，方便对细胞样本进行全方位的研究。其次，他们采用了全光学电生理学成像系统，结合定制的软件，实现了对电压和钙波的光学映射，从而精确量化心脏波的传导速度。此外，他们还利用免疫细胞化学技术，对心肌细胞的结构进行可视化分析，为研究提供了更多维度的数据支持。
下面让我们详细了解一下研究的主要结果：
- Halbach 阵列的特性：研究人员构建的圆柱形 Halbach 阵列设计精巧，尺寸紧凑，能产生均匀且强度适中（44 - 47 mT）的磁场。通过巧妙地旋转内圈或添加外圈，可灵活控制磁场的方向和磁力，为后续实验奠定了坚实的基础。而且，该阵列对细胞外基质的结构组织有显著影响，能诱导细胞外基质宏观排列 / 各向异性，这一现象在与磁性纳米颗粒（mNPs）共同作用时尤为明显。
- 对心脏传导速度的影响：实验表明，在施加小于 50 mT 的磁场且与 mNPs 共同作用时，心脏传导速度（CV）会显著提高。当磁场方向与激发波方向一致（α = 0°）时，效果最为显著，在不同起搏频率下，CV 的提升幅度可达 16% - 25.8%。有趣的是，这种影响具有频率依赖性，起搏频率越低，CV 提升越明显。研究还发现，短期（2 小时）孵育 mNPs 即可观察到 CV 增加，且 48 小时后这种效果依然存在，同时细胞保持健康，这充分证明了 mNPs 良好的生物相容性。
- 传导速度增加的机制：进一步研究发现，mNPs 在磁场作用下会瞬间聚集并沿磁场方向排列，形成动态结构各向异性，这可能是导致 CV 增加的关键因素。实验观察到，固定样本在磁场作用下，mNP 簇更大且更细长；实时成像显示，磁场旋转时，荧光标记的 mNPs 能迅速重新排列，尽管无法完全恢复到初始状态，但这种动态变化与 CV 的各向异性增加密切相关。
研究结论和讨论部分进一步强调了该研究的重要意义。研究首次证实，由紧凑的 Halbach 阵列产生的适度强度（<50 mT）的恒定磁场，在与非功能化磁性纳米颗粒短期孵育后，可有效调制工程心脏组织中激发波的传导速度。这种调制作用与起搏频率和磁场方向密切相关，为心脏疾病的治疗提供了全新的思路和方法。例如，通过精准控制磁场强度和磁力，结合优化的 mNP 设计，有望实现对心律失常的有效控制，同时加速工程心脏组织的整合，促进心脏再生。
然而，目前对于低强度磁场和 mNPs 短期应用调制激发波速度的具体机制尚未完全明确，仍需进一步深入研究。未来，研究人员可探索磁场与生物组织相互作用的更多细节，优化实验方案，以更全面地揭示这一现象的本质。
总的来说，这项研究为心脏疾病的治疗开辟了新的方向，具有广阔的应用前景。随着研究的不断深入，相信 Halbach 阵列和磁性纳米颗粒在心脏医学领域将发挥更大的作用，为人类健康带来更多福祉。<这项研究成果不仅在基础研究领域具有重要意义，也为临床应用带来了新的希望。在未来，有望基于该研究进一步开发出非侵入性、精准的心脏疾病治疗方法，减少患者的痛苦，提高生活质量。同时，研究中展现出的生物相容性，为体内实验和临床转化提供了有力支持，让我们对利用磁场和磁性纳米材料治疗心脏疾病充满期待。>
