钙离子是最广泛而又最重要的细胞内第二信使，参与包括肌肉收缩、突触传递、激素分泌、基因转录以及细胞分裂、受精、代谢和凝血等多种生理过程。

而钙火花（calcium sparks）是指肌肉细胞中的钙离子释放事件，它在1993年由Mark B. Cannell和 北京大学分子医学研究所Peace Cheng（程和平）使用共聚焦显微镜发现，钙火花在肌肉细胞兴奋收缩偶联(excitation-contraction coupling)过程中扮演重要角色。

钙火花的发现为众多疾病病因与病理的探索带来新的契机。目前，世界上包括美、英、日、法、德等国的上百家主流细胞实验室都在这一新的领域做跟进、纵深研究。一位美国科学院院士将其称为一门新的学科，并冠名为“Sparkology”（钙火花学）。

在单个细胞层面上如何更加精准地诱发、测量并记录钙火花成为了研究的关键，包括心肌、骨骼肌和平滑肌在内的单细胞，无论是自主收缩、舒张、被动拉伸等机械变化，都会导致钙火花的出现。

WPI公司科学家经过多年精心研发，开发出在心肌、骨骼肌和平滑肌单细胞研究领域独树一帜的单细胞张力测量仪，可以对单细胞进行拉伸，在记录张力变化的同时可以通过激光共聚焦或荧光显微镜观察钙火花变化，或者与WPI公司最新产品生物荧光光度计配合使用，观察心肌、骨骼肌单细胞上结合钙、游离钙及钙比值，也可以观察其它离子如钠离子、钾离子和氯离子以及ATP酶活性。

整套设备在全球生命科学领域知名大学和科研机构研究中广泛应用，包括北京大学、中山大学、华南理工大学、上海中医药大学、上海体育大学和上海海洋大学等。

上图为大鼠心脏乳头肌用Fluo-4灌注20分钟刺激反应结果。资料来源于University of Miami.

单细胞张力测量仪和生物荧光光度计的开发为广大科研工作人员从细胞和离子层面探索药物、化学物或其它物理改变对心肌、骨骼肌和平滑肌的机械性能、内分泌性能的影响以及参与这些机制的离子变化规律提供了极佳的科研平台，满足对钙离子荧光、氯离子荧光、钠离子荧光、ATP酶含量等多个离子和分子的同时检测。

上图为WPI单细胞张力测量仪在正常的和营养不良的心肌细胞研究中的应用，发现营养不良的心肌细胞与钙火花的异常释放有关，该文章（X-ROS Signaling: Rapid Mechano-Chemo Transduction in Heart）由Benjamin L发表于Science 333, 1440 (2011);

单细胞张力和离子荧光测量系统可以拓展应用的研究领域包括：

1. 房性心律失常的机理研究：通过自律细胞的钙离子测量，探讨房性心律失常和药物治疗的原理；

2. 慢性阻塞性肺病（COPD）研究：在呼吸系统研究中，可进行支气管平滑肌的治疗药物研究和病理机制研究；

3. 细胞损伤模型的建立和研究：在运动医学研究中，可建立骨骼肌单细胞损伤和疲劳模型，以探讨缓解和治疗肌肉损伤的方法；同时也可以从离子水平探讨骨骼肌细胞收缩和舒张过程中钙离子、氯离子和钠离子的变化规律；从分子水平探讨ATP酶活性与骨骼肌收缩之间的变化规律；

4. 进行性肌营养不良的研究：从细胞水平对进行性肌营养不良的发病机制和治疗方法进行探讨；

5. 比较动物学研究：对进行基因转染后的动物的肌细胞收缩性能如收缩、舒张或耐力进行比较；也可以从离子水平探究不同基因类型离子浓度的变化规律；

6. 耳蜗毛细胞的听觉机制研究：通过对耳蜗毛细胞进行机械牵拉产生动作电位来研究毛细胞在听觉中的作用机理。

参考文献：

Benjamin L. Prosser, Christopher W. Ward, "Mechano-Chemo Transduction Tunes the Heartstrings," Sci. Signal., 18 March 2014, Vol. 7, Issue 317, p. pe7, [DOI: 10.1126/scisignal.2005214].

Ramzi J. Khairallah, Guoli Shi, Francesca Sbrana, Benjamin L.Prosser, Carlos Borroto, Mark J. Mazaitis, Eric P. Hoffman, Anup Mahurkar, Fredrick Sachs, Yezhou Sun, Yi-Wen Chen, Roberto Raiteri, W. Jonathan Lederer, Susan G. Dorsey and Christopher W. Ward (August 7, 2012), Microtubules Underlie Dysfunction in Duchenne Muscular Dystrophy," Science

Signaling 5 (236), ra56. [doi: 10.1126/scisignal.2002829].

Prosser BL, Ward CW, Lederer WJ. "X-ROS signaling: rapid mechano-chemo transduction in heart" (Science). 2011 Sep 9;333(6048):1440-5. [PMID:21903813]