BiomimX微流控共培养芯片，可同步构建心房、心室微组织，模拟心脏完整分区结构

一、核心内容整理

（一）研究背景与研究目标

1. 生理基础：心房、心室心肌固有差异

心脏分为心房、心室，二者心肌细胞电生理、收缩力学特性存在显著区分：

1.1 电生理（动作电位四期差异）

1.2 力学收缩特性

肌球蛋白轻链亚型特异性表达（心房 MLC-2a、心室 MLC-2v）；心房缩短速率更快、舒张更快，但最大主动张力更低；心室收缩力更强。

1.3 行业痛点

心血管疾病全球致死率约 30%；药物研发周期长、成本高，动物实验存在伦理缺陷（3Rs 原则）；传统 2D / 简易 3D 细胞模型生理相关性不足；现有心脏芯片大多无法同步电刺激 + 电记录、制备难度高，且不能共培养心房 + 心室微组织。

2. 研究核心目的

基于 BiomimX uStretch 芯片，从力学、电生理、生物标志物三维度表征人诱导多能干细胞（hiPSC）来源心房、心室 3D 心肌微组织，建立药物筛选基准模型；

现有芯片仅能单种心肌单独培养，本文提出全新微流控共培养芯片，可同步构建心房、心室微组织，模拟心脏完整分区结构。

（二）材料与实验方法

1. 实验平台：uStretch 微流控芯片（BiomimX）

三层 PDMS 结构：上层培养层、中层气动驱动层、底层盖玻片；单芯片含 3 个独立培养腔，中央通道悬挂微柱承载纤维蛋白 3D 凝胶，侧边通道供给培养基；集成 μECG 电极通道，支持电刺激、场电位同步记录；气动加压提供周期性单轴机械拉伸模拟心跳。

2. 细胞与 3D 微组织构建

3. 三大检测体系

3.1 力学检测（MuscleMotion 图像分析）

10× 显微镜 20fps 录制搏动视频，划分 3 个 ROI 定量：收缩振幅、达峰时间、舒张时长、搏动周期；皮尔森相关系数评估组织搏动同步性，对比静态 / 动态培养差异。

3.2 电生理检测（μECG 场电位记录）

第 11 天采集信号，不锈钢记录电极 + AgCl 参比电极，采样率 2000 Hz；量化指标：锋电位振幅、搏动周期、场电位时程 FDP（Fridericia 校正）。

3.3 生物学检测（免疫荧光染色）

3.4 统计学

GraphPad Prism 9，单因素 ANOVA+Tukey 多重比较，显著性 * p<0.05/**p<0.01/***p<0.001/****p<0.0001。

（三）实验结果

3.1. 力学结果（动态刺激显著提升组织成熟度）

搏动同步性（皮尔森相关系数）：动态组同步性远高于静态组（Day5 差异极显著）；培养前期心室同步性优于心房，仅 Day11 心房同步性反超静态 / 动态组；静态组数据离散、无统计学差异。

收缩动力学参数

3.2. 电生理结果（心房、心室电信号存在明确分型特征）

第 11 天电信号对比：心房锋电位振幅（293.33 μV）显著高于心室（154.25 μV）；心房平均搏动周期更短、场电位时程 FDP 显著更短（心房 216.33 ms，心室 309.75 ms），符合心房复极更快的生理规律；

心房各组参数标准差更小，电活动均一性优于心室；仅振幅趋势与文献相悖，推测源于心房肌原纤维密度更低。

3.3. 生物学标志物结果（分型标志物特异性表达，模型分型可靠）

 

 

 

（四）讨论

机械刺激的正向作用：周期性动态拉伸提升细胞排列规整度、收缩同步性、收缩幅度、电传导一致性，是心肌体外成熟必需条件，与现有研究结论一致；

电生理规律一致性：心房 FDP 更短、搏动更快完全匹配人体内心肌电生理特征，模型电生理分型有效。

（五）结论与未来研究方向

5.1 现有研究价值：原文在当年是首次在 3D 搏动器官芯片系统完成 hiPSC 心房、心室微组织力学 - 电生理 - 生物标志物完整表征，搭建标准化体外心脏分型模型，适用于心血管药物筛选、心脏毒性评估；动态力学刺激是获得成熟、同步搏动心肌微组织的关键。

5.2 后续实验计划

5.3 芯片创新设计（核心创新点）

提出全新五通道微流控共培养芯片：两侧通道分别培养心房、心室微组织；中间通道共培养内皮 + 胶原模拟心内膜分隔结构，复刻心房 - 心室解剖分区，实现两类心肌同步共培养，弥补现有芯片只能单种培养的短板，提升体外心脏模型生理还原度。

（六）研究意义

替代传统动物实验（符合 3Rs），降低新药研发成本；可区分药物对心房、心室心肌的差异化毒性 / 药效，为心律失常、心肌病精准药物开发提供更可靠临床前体外模型。

二、BiomimX 器官芯片（uStretch/uBeat 系列）概述

BiomimX S.r.l. 源自米兰理工大学（Politecnico di Milano），意大利仿生微流控生物科技企业，欧洲微生理系统联盟成员；核心专利uBeat® 力学刺激技术，主打类器官 / 器官芯片体外仿生培养，面向心血管、纤维化、肌肉、软骨等研究，用于药物心脏毒性、疾病机制、新药筛选。上述原文使用的 uStretch 是其心脏芯片原型，商用迭代产品为 uHeart。

附：

北 京 基 尔 比 生物 科技公司 主营产品：

AnimFree 体外类器官气溶胶暴露装置

Kirkstall 3D细胞类器官串联式自动灌流系统，

BiomimX uBeat®多功能动态器官芯片系统

Kilby Gravity 微重力旋转细胞类器官培养系统RCCS，

动植物/微生物等地面重力环境模拟装置【可以定制】，

Kilby Bio 高通量类器官精密摇摆仪