心肌組織中心肌細胞處于復雜且持續變化的力學微環境中，其中基質硬度被證實可調控心肌細胞的表型和功能，進而影響心肌細胞的成熟性或引起如心肌肥厚等病理過程。而心肌細胞的結構生長、功能成熟以及病態發展均與細胞的能量攝取和代謝能力相關，表現出細胞氧化還原平衡狀態的差異。因此，基質硬度是調控心肌細胞生理、病理過程的重要因素，研究心肌細胞的氧化還原狀態與其基質硬度之間的關系有助于深入理解心肌細胞的生理和病理機理。

西安交通大學仿生工程與力學研究所（BEBC）的研究人員首先以不同硬度聚丙烯酰胺水凝膠為基底，構建了體外心肌細胞的力學微環境模型。之后應用在細胞原位表征方面具有優勢的掃描電化學顯微鏡（scanning electrochemical microscopy，SECM），以二茂鐵甲酸（FcCOOH）為氧化還原電對，對不同硬度基質上培養的心肌細胞表面釋放的重要的氧化還原態物質—谷胱甘肽（GSH）—與FcCOOH的氧化還原反應動力學常數（k_f）進行了原位表征，得到了不同硬度基底上心肌細胞的氧化還原狀態參數。結果發現，生長在越硬基底上的心肌細胞的k_f值越高，表明心肌細胞較高的GSH釋放速率。另外，不同基底硬度對心肌細胞氧化還原水平（k_f值）的影響在培養第三天出現顯著差異，之后隨著培養時間的延長，心肌細胞的k_f值趨于穩定。該結果表明心肌細胞所處的力學微環境對其氧化還原水平具有顯著的調控作用。該工作也是首次將掃描電化學顯微鏡用于細胞力學微環境的研究中，為探究細胞微環境對細胞氧化還原狀態的影響提供了單細胞研究SECM新手段。

該成果以“Effect of substrate stiffness on redox state of single cardiomyocyte: a scanning electrochemical microscopy study”為題發表在Analytical Chemistry上。博士生李亞北為第1作者，李菲教授為該文的通訊作者。該工作得到加拿大西安大略大學丁志峰教授和美國哈佛儀器公司Frank Wang博士在理論模擬和技術方面的幫助，以及徐峰教授及BEBC老師和同學們的大力協助。該研究得到國家自然科學基金、中央高校基本業務費等項目的資助。

BEBC基于“臨床問題（BED）- 實驗室研究（BENCH）- 臨床應用（BED）”的研究策略，將力學、化學、物理學與工程學、生物醫學等領域交叉融合，系統開展細胞微環境的基礎和應用研究。BEBC李菲教授課題組基于“生命科學基礎問題-電化學掃描探針顯微鏡平臺研制-單細胞原位電化學成像與表征”的學術思路，立足于電分析化學方法與技術，結合組織工程學、生物力學和醫學等學科，開展相關細胞物理微環境對細胞形態和化學等行為的原位電化學成像和細胞界面過程動力學研究，從單細胞層次探究細胞微環境與細胞病理學的關系。

文章鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.analchem.9b03178