一种用于诱导多能干细胞衍生心肌细胞（iPSC-CMs）的高性能细胞外场电位分析仪

研究人员开发 EFP-Analyzer 分析 iPSC-CMs 的 EFP，能可靠检测药物及病理改变，推动药物筛选。

　　### 探秘心脏研究新利器：解锁 iPSC-CMs 的电生理密码
在心脏研究的神秘领域，诱导多能干细胞衍生心肌细胞（induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes，iPSC-CMs）宛如一颗新星，自 2006 年诱导多能干细胞（iPSCs）被发现后，它迅速成为研究的焦点。iPSC-CMs 可用于模拟细胞行为、药物反应和疾病，尤其在药物安全筛选方面意义重大，能检测出延长心脏动作电位持续时间的药物。然而，心脏研究的道路并非一帆风顺。心血管问题导致众多临床试验失败，比如在 2000 年代，因心血管问题，非临床阶段试验放弃率达 27%，I - III 期为 21%，批准后高达 45%。为了阻止具有致心律失常风险的药物进入市场，科研人员努力开展临床前试验评估 hERG 抑制作用，但传统研究方法存在诸多挑战。

细胞外场电位（Extracellular Field Potential，EFP）就像是心肌细胞跳动的 “心电图”，由离子跨细胞膜运动产生，能反映心肌细胞的跳动模式。不过，与广泛应用且经过大量验证的心电图（ECG）分析软件不同，EFP 测量的一致性和可靠性缺乏研究，也没有标准化的分析工具。此前的研究方法，要么沿用为体内动物分析设计的软件，要么采用自定义方法，却都未评估这些策略的可靠性，这无疑给研究带来了重重阻碍。

为了突破这些困境，来自范德堡大学医学院（Vanderbilt University School of Medicine）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于开发一种高效的分析工具，以更好地利用 iPSC-CMs 进行药物筛选和疾病建模研究。最终，他们成功开发出 EFP-Analyzer（EFPA）这一半自动化软件工具，相关研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。首先是 iPSC 系的生成，他们从 15 名无已知先天性心律失常综合征的参与者外周血中分离单核细胞，通过电穿孔将非整合型附加体质粒载体导入细胞，重编程为 iPSCs，再对其进行验证和扩繁 。接着进行心肌细胞分化，将 iPSCs 诱导分化为心肌细胞，并通过染色验证。对于光学起搏的细胞，还进行了特定病毒载体处理。之后利用 CardioExcyte96 系统测量 EFP 和阻抗信号，记录细胞在光学刺激下的电活动。最后使用 EFPA 软件对数据进行分析，包括选择和平均搏动、识别地标以及计算间隔等操作。

下面来看看具体的研究结果：

1. EFPA 软件工具解析：EFPA 软件基于 Shiny 框架开发，可在 GitHub 上下载，使用说明详细，兼容多种操作系统。软件分为数据加载和数据分析两个页面，操作流程清晰。其分析参数设置合理，能自动完成部分任务，用户也可手动调整，且计算的参数与评估人类心电图中的心电活动参数类似。
2. iPSC-CM 系的深度剖析：研究人员对 22 个 iPSC-CM 系进行研究，从最初的 25 个患者系中筛选出 1280 条记录。经过多轮筛选，排除非标准形态的 EFP，最终确定主要数据集。通过不同人员对 EFP 测量的对比发现，标准形态的 EFP 测量重复性最佳。并且，不同测量方法和人员之间的 FPD 测量相关性高，偏差较小，表明 EFPA 测量结果可靠。
3. 药物反应与疾病研究的新突破：在药物反应研究中，研究人员用莫西沙星（moxifloxacin）处理 iPSC-CMs，发现随着药物浓度增加，FPDmax 显著延长。在疾病研究方面，对携带 CACNA1C N639T 突变的细胞系分析显示，该突变细胞系的 FPDmax 相较于对照细胞系明显延长。这表明 EFPA 能够准确检测药物和疾病相关的 EFP 变化。

在研究结论与讨论部分，EFPA 展现出诸多优势。它在分析 22 个患者系的 358 条 EFP 痕迹时，测量结果一致，能可靠检测出药物（如莫西沙星）和病理（如 CACNA1C N639T 突变）引起的功能变化。不同读者间 FPD 测量的相关性系数高，Bland - Altman 图显示一致性良好，这意味着该技术能实现高质量的数据采集，在不同用户和研究间具有可重复性。与其他工具相比，EFPA 在分析 iPSC-CM 数据时更具优势，如采用切线法、可手动调整搏动、数据存储功能完善等，能提高测量的精度和准确性。

不过，研究也存在一定的局限性。iPSC-CMs 存在表型不成熟的问题，这可能影响疾病和药物建模的预测准确性。此外，EFPA 仅针对特定设备产生的 EFP 数据进行优化，对于其他设备产生的数据兼容性有待进一步测试。未来研究可从多个方向展开，比如探索更多 EFP 参数、研究不同离子通道突变的影响、采用不同细胞培养方式等，以进一步挖掘 EFPA 的潜力。

总的来说，EFPA 的出现为心脏研究领域带来了新的曙光，它为药物筛选和疾病建模提供了更高效、准确的工具，推动了 iPSC-CMs 在心血管研究中的应用，尽管存在一些不足，但也为后续研究指明了方向，激励着科研人员不断探索，为心脏健康研究开辟更广阔的道路。