近年来，随着科学技术的不断成熟，细胞研究的热度在国内整体呈现出一个不断上升的趋势，而细胞研究的一个前提就是细胞培养。

我们都知道，细胞培养需要一定的环境，于是我们使用了CO₂培养箱，模拟了一个CO₂和一个可以恒定的温度的环境，但是往往我们也忽略了一些其他的问题，对于各种不同的细胞，所处的环境也各有不同，包括力学、电生理学、化学等等。

与体内研究相比，体外研究具有许多优势，例如

（1）更严格地控制化学和物理环境

（2）更便宜

（3）更快

（4）需要的动物更少。

然而，分离和培养的原代细胞与生物体中相应的细胞类型不同，限制了体外数据预测体内行为的价值。这种分歧的一个主要原因是体外实验不能复制生物体内细胞的力学和电生理学环境。

接下来要介绍的就是一款可以同时模拟体内力学、电生理学环境，并且可以实时进行数据采集分析和观察成像的系统。

来自美国Bmseed的MEASSURE 系统，MEASSURE 系统通过在体外受控环境中复制体内细胞的力学和电生理学环境解决了这一技术难点。

细胞力-电耦合刺激培养电生理信号实时检测观察成像系统，整合细胞力学、电生理和成像信息采集分析多合一解决方案

系统包括三个模块：

一、力学模块 可对细胞进行牵张刺激加载 支持不同的拉伸刺激模式 可快速冲击损伤拉伸或周期性拉伸 连续可调的牵张率和频率 可自定义应变场 高应变 高应变率 高重复性 可定制微图案拉伸 可实时生成应变曲线 可以偶联成像和电生理模块 可在培养箱中使用
二、电生理模块 细胞电刺激 电生理活动记录 阻抗测量 偶联力学模块进行： 细胞拉伸前、中、后的电生理信息检测分析比较 评估细胞健康和成熟度
三、高分辨率成像模块 拉伸之前、期间和之后成像 定制，易于使用的软件可独立测量组织应变 拉伸运动过程中活细胞的光学成像 高帧率和分辨率，可以进行荧光成像 2MP分辨率下每秒高达2,000帧 可集成力学与成像模块 高帧率和分辨率 可以偶联电生理模块以完善MEASSuRE系统 多种相机可选

力学模块的功能是提供生长在微电极阵列上的细胞在机械应力下的不同轴向的机械拉伸应变，可选不同的型号以达到正常生理拉伸培养的低应变，或者可以达到损伤培养的更高的应变，同时拥有可控的应变、应变率和应变速率，并且，机械拉伸单元拥有自检功能，比如说我设置膜的应变程度，那么这个设备究竟有没有达到我设置的那个值？

电生理模块的功能是提供来自微电极阵列上的细胞电生理信号的测量（比如：动作电位、场电位、电阻抗的测量等），以通过测量这些数据，来评估细胞的功能和健康状态，并且可以进行多通道的电刺激，以观察细胞在各种不同外界环境下产生的不同的反应。

成像模块允许我们在拉伸运动的期间，进行对细胞的实时观察以及成像，然后量化数据，包括后期对实验数据的一些验证，比如说：我们设置了一个拉伸的参数，然而，这个细胞的拉伸程度究竟有没有达到我设置的那个拉伸的数值？ 

三个模块相互独立，每个模块都可以单独使用，但这三个模块又都是可以灵活组合的，这就解决了一些我们在部分项目中可能经费不足的问题，我们可以前期以优惠的价格购买单独的模块，后期根据实际的经费情况来进行系统不同模块的组合添加来完善我们的设备。

了解完系统的组成和功能以后，我们再来讲一讲该系统在不同方向的各种应用。

组织工程

当细胞在分化过程中受到应力刺激和电刺激时，分化成特定组织的SC细胞具有更接近成人组织的特性。MEASSURE 系统能够同时提供电刺激和应力刺激。

药物研发、毒性测试

由在应力刺激和电刺激下分化的SC细胞生长的组织更能代表成年人各自的器官。因此，制药公司进行药物毒性测试的有效性也随之增加了。

生物力学应用

有多种机制可以在神经元和其他细胞类型中转导和感知机械应力。

神经外伤研究与治疗

MEASSURE 系统允许在受控环境中可靠且重复地再现 TBI 和 SCI 的生物力学。通过将损伤后的细胞电生理信息与受伤前的水平进行比较，可以使用嵌入式微电极以直接的方式评估受损伤的神经元的电生理学变化。因此，可以很容易地评估药物或其他治疗策略以大限度地减少受伤后损害的有效性。

脑震荡研究

MEASSURE 系统将允许研究人员和医生开发改进的脑震荡方案，这些方案基于潜在损伤的电生理学而不是认知测试。

肌肉损伤研究与治疗

MEASSURE 系统将允许调查由过度张力或压力引起的肌肉损伤的机制，并评估药物以加速恢复。

SC细胞修复研究机制

SC细胞参与身体不同部位受伤后的修复过程，例如创伤性脑损伤后的大脑。机械感受器的激活机制尚不清楚。MEASSURE 系统将成为阐明和研究这种机制的有用工具。

神经退行性疾病研究

阿尔茨海默病等神经退行性疾病与 TBI 有共同的病理途径，例如淀粉样斑块的积聚。因此，MEASsuRE 系统可能是早期评估候选药物对阿尔茨海默病疗效的有价值的工具。

临床前药物筛选

失败的方法：基于目标的高通量筛选 (HTS)，原因往往是：先导发现基于针对分子靶点的活性、目标必须是已知的、理论往往是错误的、不太可能发现通过新的生物学机制起作用的化合物。

更好的方法：使用器官切片或分离细胞培养物进行功能筛选、直接评估感兴趣组织的神经保护特性、不需要知道目标、通过电生理测量直接评估细微的细胞功能、损伤后到损伤前水平的正常化、内置的内部损伤控制。

神经保护化合物的功能性的药物筛选

MEASSURE 系统在创伤性脑损伤 (TBI) 药物发现方面具有明显优势

·    基于电生理组织对拉伸（损伤）的反应筛选导联

·    无需知道目标

·    寻找新的生物学机制

·    在临床前开发早期消除候选药物

·    避免拒绝潜在的候选药物

·    通过减少体内测试的数量来节省时间、金钱和研究动物

BMSEED的目标是进一步加强MEASSuRE系统，以减少药物研发过程中使用的动物数量，同时，提高临床前药物开发过程的效率和效果。成功的关键是提高人类诱导多能干细胞（hiPSCs）衍生的线状特异性细胞的分化、成熟和维持的可重复性。hiPSCs衍生的细胞在生物医学的不同领域，如疾病建模、再生疗法和个性化医疗，有着巨大的前景。这些领域的具体应用包括：器官芯片（OoC）、药物筛选和细胞替代疗法。尽管在这些领域取得了重大进展，但hiPSC分化、维持和成熟的可重复性和效率并不能满足转化为临床的要求。

目前hiPSCs的分化方案通常是基于使用药物、小分子和定制的培养基对发育途径进行化学调节。然而，从这些方案中得到的细胞呈现出不成熟的特征，更多反映的是胚胎阶段而不是成人细胞和组织。这些缺陷削弱了hiPSC衍生的细胞在药物筛选和OoC应用中的有效性，并限制了它们在特定治疗应用中的适用性。导致hiPSC衍生系与体内对应系的表型和功能差异的一个主要原因是分化环境中缺乏生物物理（即电生理或生物力学）线索（特别是在心脏中），而这是调节体内原始组织平衡的关键因素。例如：

Nunes等人证明，与未受刺激的对照组相比，对hiPSCs的电刺激改善了心肌细胞（CM）的结构，诱导了肌纤维的成熟，并增强了电生理特性。

Tulloch等人证明，与未拉伸的对照组相比，循环机械拉伸hESCs促进心肌细胞分化产量和基质纤维排列增加2倍，心肌细胞肥大增加2.2倍，增殖率增加21%。这些安装证据表明，从干细胞分化出来的心肌细胞在添加了电或机械刺激后，更能代表成人心肌内的原始表型。

BMSEED初的重点是由hiPSCs衍生的心肌细胞，因为它对心血管疾病的建模和治疗有潜在的影响。近的统计数据表明，心脏疾病占全球所有死亡人数的30%，直接医疗费用总额达3180亿美元。

BMSEED这个项目的完成将对心血管疾病的技术开发、生物发现和临床治疗产生重大影响。期望电和应力刺激对hiPSCs的分化和hiPSC衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）的成熟的影响会导致协议的明显改善，因为在每次心跳时心肌都会有相当大的收缩，与神经元或其他没有电生理活性的细胞相比，肌肉细胞中的细胞外电压很大。

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