心肌细胞的线粒体结构取决于心肌细胞形态和胞外基质硬度

心肌细胞收缩依赖于线粒体产生的能量。众所周知，在心脏发育和疾病过程中，心肌细胞线粒体网络的结构和功能与许多其他因素一起发生重构，包括：营养利用率的变化，血流动力学负荷，细胞外基质(ECM)的硬度，细胞形状和其他细胞内结构的成熟。但是，这些因素中的每一个因素对线粒体网络结构的单独影响尚不明确。

研究背景

心脏是人体活跃的代谢器官之一，每天大概要产生30公斤的ATP。大部分ATP是由心肌细胞中的线粒体产生的，并用于肌节的加速缩短。线粒体网络的结构本身是由线粒体生物发生、线粒体融合和线粒体自噬的平衡来动态调节的。这些过程共同塑造了贯穿整个生理和病理生长阶段的线粒体网络，并与能量需求、营养可用性和其他尚未完全了解的因素动态适应。许多病理条件下，心肌的ECM硬度增加，且与血流动力学具有相关性，这是已知的能触发不良心肌细胞形状重塑的两个因素。之前的体外研究表明，细胞形态和/或ECM硬度的变化在生理和病理上都改变了心肌细胞的细胞骨架、细胞核形态、细胞伸缩性及电生理特性。然而，线粒体网络结构是否也会受到细胞结构和ECM硬度的影响还没有被确定。

研究结果

本研究的目的是验证细胞AR和ECM刚性调节心肌细胞线粒体网络结构的假设。为了单独调节AR和ECM的硬度，研究人员在三种不同硬度表面用纤连蛋白微打印了的表面单细胞大小的矩形，分别为柔软型（3:1）、中等型（7:1）、坚硬型（11:1）。

随后，研究人员在这些表面培养新生大鼠心室肌细胞，并使用共聚焦显微镜和图像处理技术来量化参数，如线粒体体积、表面积-体积比和数量。

线粒体网络示意图。培养在特定AR上的反褶积z叠加的MitoTracker (红色)，α肌动蛋白 (白色)和DAPI (蓝色)经过三维重构后的心肌细胞。下面的三幅图像是上面图像的子集。所有的心肌细胞培养在柔软的表面。比例尺5ｕm。

本研究的结果表明，随着心肌细胞的伸长，线粒体体积增加，碎片减少，从而形成更大、更融合的线粒体网络。对于部分AR，本研究还发现随着ECM硬度的增加，线粒体体积减少，碎片化增加，这与病理状态下心肌细胞的变化一致。这些结果表明，细胞外线索在心脏发育和疾病中，特别是细胞形状重塑，直接影响心肌细胞线粒体网络的形态。这些线粒体网络结构的改变可能导致代谢功能的生理和病理改变，由于肌节缩短依赖于ATP的产生，这一研究可能提示收缩性能和心输出量的下游靶点。

线粒体结构在心肌细胞AR和ECM硬度中的作用。饼状图表示了小(< 1ｕm3)、中(1 - 10ｕm3)和大(> 10ｕm3)线粒体网络在ECM硬度和肌细胞长径比中的容积率。圆的大小与线粒体总量成比例。

总结

随着心肌细胞的伸长，线粒体网络变得更大更融合。ECM硬度的增加也可以选择性地增加线粒体碎片。这些数据表明，在心脏发育和疾病期间发生的细胞形状和机械负荷的变化会影响线粒体网络的结构，这可能对心肌的代谢和收缩性能有影响。这些结果还确定了促进心肌细胞成熟的机制和线粒体网络的初级心肌细胞在体外用于改善干细胞来源的心肌细胞的表型。这些研究结果为体外心脏疾病的工程模型提供了重要的设计参数，也为再生医学可定制的心脏替代组织提供了重要的设计参数。

由该研究可知，包括打印蛋白在内的细胞微环境模拟材料在心肌细胞的体外模拟研究中起到了重要的作用。现向大家介绍来自英国Plexithermo的HCells高通量单细胞、器官功能测量及纳米水凝胶3D培养系统。

系统可使用多种定制水凝胶耗材模拟细胞微环境，亦可以自行设计蚀刻水凝胶以满足不同的研究需求，尤其适用于心肌细胞体外培养环境的构建。搭配独特的细胞追踪技术，可短时间内测量300个以上细胞的收缩及离子浓度变化情况。搭配多孔位细胞培养板，实现真正的高通量细胞测试，每个孔位即可作为一组对照实验，不同孔位同时培养，同时测量，极大节省时间及耗材。

适用范围：

1、心肌细胞

采用超速成像纳米水凝胶技术。保证药物一定浓度水平下批量测心肌细胞的力学指标和离子浓度变化。测细胞收缩的速度和细胞力度、细胞大小、面积、真正产生的功率，收缩时的角度x轴y轴，产生的速度差和力差等，并且可以模拟器官硬度。通过轨迹分析选择跟踪区域和运动方向。软件对迁移单元的速度或距离进行量化。可以分析细胞运动的频率。细胞跟踪检测轨迹并提供定量数据跟踪功能还可以分析面积、周长和圆度等参数，使软件能够跟踪形状变化，例如体外心肌细胞。

2、细胞迁移和精子运动轨迹

跟踪函数检测细胞轨迹，并可以计算定量数据，例如：作为轨迹（xy图表），距离和速度。这使得系统具有检测和测量功能，例如细胞迁移和精子运动的轨迹。

3、动态跟踪可以分析细胞增殖的变化，如菌落形成。

4、人iPS细胞衍生神经细胞的细胞活力测定：

可以测量神经元的运动。神经元运动的功率谱密度（PSD）可用于准确预测细胞死亡。PSD表示一个单元在频域中的运动强度。神经元培养的PSD比传统的生存能力测量更精确地预测细胞死亡。

5、核跟踪特征可用于分析癌细胞迁移。

测量对象：癌细胞、斑马鱼、精子、菌落、贴壁细胞（如：急性分离的成年小鼠细胞，乳鼠细胞、成年大鼠的心肌细胞、骨骼肌细胞等。