法国4Dcell的SmartHeart体外心脏模型不仅仅是一个“细胞实验”，它是一个功能性的、微型的、跳动的人类心脏仿生系统。它通过创新的生物工程技术，成功地在体外复制了心脏的核心功能，为药物心脏毒性筛查、心脏病机理研究和个性化医疗提供了一个更强大、更精准、更人性化的工具平台，正在成为推动心脏药理和毒理学研究向前发展的关键力量。

SmartHeart是一种高度仿生的体外3D心脏微组织模型。它并非一个简单的细胞集合，而是一个通过生物工程精心设计的、能够自发且同步搏动的微型心脏结构，旨在模拟真实人类心脏的生理和病理状态，从而为药物测试和疾病研究提供一个更优越、更人性化的平台。

一、主要用途

SmartHeart模型的应用范围非常广泛，主要集中在制药和生物医学研究领域：

1. 药物心脏安全性评估（Cardiac Safety Screening）：

• 核心应用：检测新药候选化合物潜在的心脏毒性，特别是可能引发致命性心律失常的副作用（如尖端扭转型室性心动过速）。这是药物临床前测试的关键一环，传统上严重依赖动物实验。
• 优势：能够更准确地预测药物对人类心脏的电生理影响，比传统的动物模型或2D细胞模型更具预测性，可以大大降低因药物心脏毒性而在临床试验后期失败的风险。

1. 药物疗效评价（Efficacy Testing）：

• 用于测试治疗心脏疾病的新药（如正性肌力药治疗心衰、抗心律失常药）的效果。研究人员可以在高度仿生的模型上观察药物如何改善心脏组织的收缩力和节律。

1. 疾病建模（Disease Modeling）：

• 通过使用源自特定心脏病患者的细胞（如诱导多能干细胞iPSCs），可以创建个性化的心脏模型。这有助于研究特定遗传性心脏病的机制，例如长QT综合征、心肌病等。
• 可以模拟心脏病发作（缺血/再灌注损伤）后的情况，用于测试心脏保护类药物。

1. 减少动物实验（Replacement of Animal Testing）：

• 作为“3R原则”（减少、优化、替代）的杰出代表，SmartHeart这类先进的体外模型为最终替代或大幅减少药物研发中的动物实验提供了强有力的工具。

二、核心特点

SmartHeart的成功源于其独特的技术和设计，使其区别于传统的体外模型：

1. 3D生物打印与微支架技术：

• 使用专利的磁力驱动3D生物打印技术。细胞与微磁珠结合后，在磁场作用下被精确地组装成特定的3D结构（如心肌纤维状）。
• 这种技术能快速、一致地形成具有高度组织架构的微组织，复制了天然心肌的各向异性，这是传统3D培养（如球状体）难以实现的。

1. 自发且同步的搏动：

• 形成的微组织由人心肌细胞（通常来源于干细胞）组成，这些细胞能够自发地、同步且规律地搏动，节律稳定，类似于真实的心脏搏动。
• 这一点至关重要，因为心脏的电生理功能与其结构和细胞的同步性密不可分。

1. 高仿生性与功能成熟：

• 3D结构提供了更接近体内的细胞外微环境，促进了细胞间的连接和通讯，使得心肌细胞表现出更成熟的功能特性，包括更强的收缩力、更成熟的基因表达和电生理信号传导。

1. 易于整合与实时监测：

• 模型可以轻松地整合到标准的实验室设备中，特别是与微电极阵列或阻抗监测系统兼容。
• 研究人员可以实时、无创地监测心脏微组织的搏动频率、节律、收缩力和电信号（场电位，类似体外心电图），从而获取丰富的功能性数据。

三、突出亮点

这些特点共同构成了SmartHeart相较于其他技术的显著优势和亮点：

1. 高度的预测性与临床相关性：

• 由于其高度仿生的3D结构和功能，它对药物反应的预测比2D模型和某些动物模型更接近人类临床结果，能有效降低药物研发的失败率和成本。

1. 可定制化与个性化医疗潜力：

• 可以使用来自健康人或特定患者的细胞来构建模型，为实现 “个性化医疗” 提供了平台。例如，可以测试某种化疗药对特定患者心脏的毒性，从而实现更安全的治疗方案。

1. 卓越的可靠性与通量：

• 磁力生物打印技术确保了模型构建的高度一致性和可重复性，减少了实验误差。
• 该技术适用于中高通量的药物筛选，可以同时测试多个化合物或不同浓度，满足制药工业的需求。

1. 清晰的终点指标与数据质量：

• 提供的功能读数（如搏动分析、场电位持续时间）直接、量化且与临床终点高度相关（如QT间期延长），使数据解读更加直观和可靠。

1. 符合3R原则的伦理先进性：

• 代表了现代生命科学向着更伦理、更高效研究方向发展的趋势，是替代动物实验的标杆性技术之一，深受伦理委员会和动物福利组织的认可。

技术视频

人类心脏组织

hiPSC-CMs 和心脏成纤维细胞

易于使用 +++

接种细胞，让它们跳动，测量

高吞吐量

96孔板

7200 个细胞：组织

心肌细胞与成纤维细胞的比例为 3：1

高分辨率成像

玻璃底板

原位表征

在一次检测中获得多个关键读数

一种类似人类的心脏模型，旨在达到高成熟度

SmartHeart® 组织具有更高的形态、结构、分子和功能成熟度，提高了心脏毒性研究的可预测性，并明显超越了传统 2D 方法的局限性。

戒指的 3D 重建。波形蛋白（绿色）、肌钙蛋白 T（红色）和 DAPI（蓝色）

在 63 倍放大倍率下对收缩纤维进行免疫染色。肌钙蛋白 T（红色）和 DAPI（蓝色）——Seguret 等。

形态学

环形几何形状允许在组织内实现更准确的生理性力分布。它有助于重入波的可视化，这是大多数临床心律失常的原因。

结构

SmartHeart® 平台提供结构成熟的组织，具有排列良好的收缩纤维和肌节。

分子表达

RT-qPCR 数据突出了与 2D 模型相比心脏功能关键基因的上调。

SmartHeart 手册

三合一 3D 心脏检测复制关键体内机制

SmartHeart 是一种集成解决方案，用于测量收缩力 （1）、动作电位 （2） 和钙处理 （3）。这种简化的方法最大限度地减少了变异性，提供了对体内毒性机制的无与伦比的见解

收缩力 （1）

电生理学 （2）

钙瞬变 （3）

收缩力指标

频率

收缩应激

收缩应损

收缩速度

放松速度

药品 心肌嗜性

超时性

正性肌力

超时性

Lusitropic

动作电位指标

频率

峰间持续时间 STD 上升时间、上冲程速度

APD10-90

三角测量，高原阶段

电生理学特征

节奏

Regularity Depolarization

受影响的通道 致心律失常

CaT 指标

频率

峰间持续时间 STD 幅度

曲线下面积“上升和衰减”持续时间和速度

CD10,50,90

全面了解组织中的钙动力学

SmartHeart® 量化药物引起的收缩变化

SmartHeart® 可靠地复制对 CiPA 组合药物的电生理反应（通过光学映射评估），确保高保真心脏安全性评估。

SmartHeart 手册

刺激的精确性和一致性：逐

孔起搏确保每个孔都能接收到完全相同的刺激，消除自发跳动或不均匀刺激引起的可变性。这可以带来更清晰的信号，减少实验噪声，并最大限度地减少由于细胞行为或电镀差异而导致的伪影，最终提高数据质量和检测可靠性。

提高检测重现性

标准化起搏可最大限度地减少孔之间的差异，提高板内和板间的重现性。

条件

的多重检测不同的化合物、细胞类型或起搏频率可以同时应用在同一板中，是高通量筛选 （HTS） 的理想选择。

与数据采集

同步收缩事件的时间可以与光学或基于阻抗的读数保持一致，从而提高信号的清晰度和一致性。

增强模型可翻译性

定期起搏模拟生理心率，增加了测定在预测体内反应（例如 正性肌力作用、QT 间期延长、心律失常风险）的相关性。

支持心肌细胞成熟

慢性起搏促进 hiPSC 衍生心肌细胞的结构和功能成熟（肌节组织、基因表达、钙处理）。

实现动力学或剂量反应研究

通过一致的起搏，可以以更高的灵敏度检测收缩幅度、持续时间或节律对药物的反应的细微变化。

可以使用 4Dcell 的 SmartExplorer 软件 SmartX 2.0 分析收缩环的明场视频（例如 500x500 像素、最小 35 fps 和 10 秒长度）。

该算法使用机器学习来检测和跟踪中央毛发的区域，从中确定几个参数：收缩幅度、收缩应变、收缩和松弛速度、收缩应力等。

SmartX 是一个人工智能驱动的图像分析平台，旨在随着您运行的每个实验而发展。

其核心是一个深度学习模块，该模块不断从每个数据集中“学习”，从而提高其以更高的准确性和速度检测和跟踪跳动环的能力。无论您是测量收缩强度、频率还是空间一致性，SmartX 都能适应您独特的成像条件和细胞模式，自动调整其分割模型以减少误报并提高信号保真度。

其结果是一个自我优化的工作流程，可以在一次又一次的实验中提供稳健、可重复的指标，让您能够专注于生物学见解，而不是手动分析。

世联博研一站式国际前沿细胞力学（细胞应力加载培养、流式高通量细胞实时形变与机械特性综合表征、细胞牵引力高通量检测分析、细胞收缩力高通量检测分析）、细胞力学-电生理（力电耦合刺激与成像记录）、力电微环境人体多功能器官芯片、组织材料微观力电特性检测分析、动作实时捕捉与分析（运动力学）、3D打印（生物打印、电子材料打印、金属打印、陶瓷打印）、电纺丝、细胞微环境（力、电、气、PH、微图案、微通道、几何空间、微结构水凝胶及其多条件耦合）调控装置、肿瘤细胞交变磁场热疗检测分析、单细胞双层乳化液滴制备与功能分析、自动化规模细胞培养监测等科研设备代理与技术交流 13466675923。