光学方法简介
18 世纪，Galvani 通过蛙腿实验首次证实肌肉收缩由内在电活动驱动，为心脏电生理研究奠定基础；1901 年前后，Einthoven 对心电图（ECG）技术进行改进，首次实现心脏电生理活动的精准记录；后续发展的多电极阵列（MEA）虽可用于电信号传播测量，但仅局限于胞外电位检测，且空间分辨率受电极间距制约，难以满足深入研究需求。

光学方法突破了 MEA 的固有局限，借助荧光传感与光调控技术，具备无与伦比的时空分辨率，可直观可视化多细胞层面的心脏电生理特性（包括电信号传导、钙动力学变化及代谢关联等），为心脏电生理机制研究及临床转化提供了创新性技术支撑。

新型心脏电生理工具及其应用发展历史时间线

光学标测
光学标测是基于荧光原理的心脏电生理检测技术，其核心技术优势体现为超高时空分辨率。该技术的操作流程为：向细胞单层至完整心脏等不同尺度的心脏样本孵育电压或钙离子荧光探针，经LED等光源激发后，由高速相机采集荧光信号，最终可获取心脏动作电位、钙离子瞬变形态及传导特性等核心电生理数据。这些数据为阐明心脏生理调控机制及疾病电生理病理机制提供了重要实验支撑。

光学标测原理图

一、荧光传感器
1.电压敏感染料：传统代表为 di-4-ANEPPS，具有皮秒级电压响应特性，可记录心脏表面电生理活动，但存在荧光变化率低、光毒性显著等问题，且会导致自发心率降低、房室结传导减慢等心脏电生理功能异常；红移染料 di-4-ANBDQBS 以 660 nm 波长激发，发射近红外光，穿透深度提升至 1-4 mm，可捕捉心内膜信号，且对心脏电生理影响微小、心毒性较低；光电子转移染料 FluoVolt 具备高光稳定性、快速响应（皮秒至纳秒级）及高荧光变化率优势，适用于双光子成像技术，可实现更深层次的心肌透壁检测。

2.钙离子荧光探针：Rhod-2-AM 为常用胞质钙离子荧光探针，可记录胞质钙瞬变，常与电压成像同步开展；mag-fluo-4 AM 适用于肌浆网钙信号检测，Valverde 等学者利用该探针在离体小鼠全心中实现肌浆网钙瞬变与胞质钙瞬变的关联标测；通过冷 / 温加载 Rhod-2-AM 的新技术，可实现线粒体特异性钙测量，Trollinger 等学者结合该方法与 fluo3 探针，完成线粒体与胞质钙信号的同步记录。部分钙探针支持比率法检测，可通过不同激发波长下的信号比值精准量化钙浓度，降低系统噪声与运动伪影干扰。

3.基因编码传感器（GEVI/GECI）：可实现细胞特异性表达，且细胞毒性较低，适用于长期体外研究（如人诱导多能干细胞衍生心肌细胞培养体系），但响应速度慢于合成染料，对部分高速电生理事件的捕捉存在局限。

二、硬件系统
1.光源：涵盖 LED（常用低成本光源）、钨卤灯、汞 / 氙弧灯及激光，需依据荧光探针的激发波长精准匹配，如红移染料需搭配 660 nm LED，双光子成像依赖激光光源。

2.相机：CCD 相机为传统检测设备，CMOS 相机因成本优势及便携性成为当前主流选择，Heinson 等学者开发的便携式 CMOS 系统已应用于全光学心脏电生理标测；背照式 CMOS 相机可降低噪声干扰，电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）能放大发射信号，二者均提升了弱信号检测的灵敏度。相机核心参数需满足时间分辨率＞500 Hz（以捕捉毫秒级电压 / 钙信号变化）、空间分辨率≤100 μm（以解析复杂电信号传导模式）。

3.光学组件：滤光片可过滤杂光，避免不同探针间的光谱串扰，保障信号纯度；全景成像系统（如 Rieger 等学者设计的 294 光纤 LED 系统）通过双镜头将光学发射波段聚焦于单 CMOS 相机，实现小鼠心脏全景标测，规避了多相机系统的技术复杂性。

三、数据处理
1.方法：空间滤波、时间滤波、时间过采样及基线校正等方法，可有效优化光学标测数据质量，降低短曝光时间、荧光信号微弱等因素造成的干扰，但需避免过度平滑导致的信号误判。
2.开源软件：ElectroMap 支持高通量心脏电生理数据分析与标测；KairoSight-3.0 已通过验证，适用于钙 - 电压耦合、复极交替等特性分析；专用心律失常分析框架（如 Li 等学者开发的工具）可实现颤动（fibrillation）动力学的定量评估。此外，机器学习技术已应用于自动伪影检测，进一步提高数据解析的精准度。

四、关键技术
1.多参数成像：双标测（电压 + 钙）可分析电压 - 钙延迟等电 - 收缩耦合特性，如肥厚小鼠心脏中该延迟延长，提示电 - 收缩耦合功能异常；三标测（电压 + 钙 + NADH）能揭示心肌代谢与电生理活动的关联性，George 等学者发现缺血心脏中代谢变化先于电生理异常；部分研究将光学标测与 Förster 共振能量转移（FRET）技术结合，实现环磷酸腺苷（cAMP）活性与电压信号的同步记录，揭示性别相关的电生理差异。

2.运动追踪：传统光学标测依赖 blebbistatin 等药物解除电机械偶联，但此类药物可能延长动作电位时程、降低 NADH 自荧光，干扰心肌生理状态。革新性技术包括无标记（marker-free）运动追踪（可减少 80% 运动伪影）、比率法（通过双信号比值抵消运动影响）及三维（3D）标记追踪（Zhang 等学者利用该技术测量心外膜应变），这些方法已实现自由跳动心脏的精准标测，保留了生理状态下的电机械反馈。

光遗传学
最初为研究复杂神经元相互作用而开发的光遗传学技术，已成功转化至心脏领域并取得显著成效，其核心机制为视蛋白在波长依赖性光照下可模拟电压门控、配体门控或机械敏感性离子通道及离子泵的作用介导细胞膜离子转运，该技术不仅为心脏相关电生理机制研究提供了多项关键认知，还具备进一步向临床应用推进的潜力。

去极化与超极化视蛋白调控心脏电生理的机制及实例

一、视蛋白类型
1.去极化视蛋白：通道视紫红质 2（ChR2）以 480nm 蓝光激发，为非选择性阳离子通道，是首个应用于心脏光遗传学起搏的视蛋白；ChRmine 为红移变体，可被近红外光激活，实现自由活动小鼠的无接触心脏起搏；ReaChR 同样具有红移特性，组织吸收与散射减少，可产生更高幅度的光电流。此外，线粒体靶向 ChR2 可调控线粒体膜电位与 ATP 合成，FRET 耦合视蛋白可同步实现光刺激与信号转导记录。

2.超极化视蛋白：盐古菌视紫红质（NpHR）和盐生盐杆菌视紫红质（HsHR）可介导氯离子内流，使细胞超极化；Kalium 通道视紫红质 HcKCR1 和 WiChR 具有高钾离子选择性，响应速度＜1 ms，WiChR 在人诱导多能干细胞心房肌细胞中表达后，可在蓝光照射下可逆抑制动作电位与自发收缩。

3.局限：视蛋白存在浓度依赖性细胞毒性；部分变体（如 ChR2）经重复刺激后会出现脱敏现象，表现为峰值电流与平台电流降低，可通过暗适应或间隔切换协议缓解，但可能对光电流特性产生影响。

二、视蛋白递送
1.病毒载体：腺相关病毒（AAV）无宿主基因组整合，适合有丝分裂后细胞（如心肌细胞），包装容量 < 4.7 kb，自互补 AAV 载体可提升转导速度；慢病毒能整合入宿主基因组，表达稳定且免疫原性低，适用于干细胞、有丝分裂活跃细胞（如人诱导多能干细胞衍生心肌细胞）。

2.非病毒载体：包括电穿孔、脂质体转染等，虽无基因整合风险，但转染效率低于病毒载体，且缺乏细胞靶向性，主要应用于体外细胞实验。

3.转基因模型：可实现视蛋白的细胞特异性稳定表达，常用小鼠构建，但模型构建复杂、成本高，非人灵长类兼容性差，主要应用于心脏传导系统标测等机制研究。

三、照明系统
LED 是基础照明光源，微型 LED 阵列可植入小鼠心脏隔膜，实现心内膜区域的稳定起搏；近红外光穿透深度深，且光毒性低，结合上转换纳米颗粒可将其转化为可见光，激活传统视蛋白；Yu 等学者发现添加全反式视黄醛（ATR）光敏剂，可提升 ChR2-H134R 在心肌细胞中的膜表达，降低光学起搏所需能量。此外，数字微镜器件可通过微镜阵列聚焦光照，实现区域特异性刺激，优化光脉冲模式（如延长脉冲时长至超过心律失常周期）能提升心律失常终止效率。

全光学电生理
全光学电生理技术融合光学标测（传感）与光遗传学（调控）技术，仅通过光信号实现心脏电生理的 “激活 - 检测” 全流程，无接触特性可避免电极侵入造成的组织损伤；细胞选择性强，可精准靶向特定心肌细胞亚群；时空分辨率极高，透壁成像深度达 400 μm-4 mm，能捕捉壁内电信号传导模式，突破传统检测方法的技术局限。

2.AI 辅助效率提升：通过 CNN 等算法处理海量光学数据，实现心律失常自动分型、驱动灶定位，挖掘预警指标（如钙传导离散度）并构建预测模型，大幅提升机制挖掘与数据解析效率。

二、临床转化：聚焦 “精准诊疗落地”
1.器械与技术革新：研发植入式光电子器件（如可吸收光学起搏器、心内膜标测导管），突破传统器械侵入性强、分辨率低的问题，降低并发症率（如起搏器并发症率从 9.5% 降至 1.2%），精准识别壁内病灶。

2.精准诊疗方案：覆盖药物筛选（多参数评估毒性 / 疗效，提升预测准确率）、心律失常消融（结合 NIR-II 或光遗传学验证靶点，降低复发率）、个性化医疗（基于 iPSC-CMs 模型定制用药方案），整体提升诊疗精准度与安全性。

三、新兴交叉：聚焦 “应用边界拓展”
1.跨技术融合：与类器官 / 芯片技术（如 LWD-Miniscope+PDMS 芯片）、再生医学（如数字全息追踪心肌分裂）结合，解决传统模型生理相关性低、再生机制不明的问题，拓展基础研究与早期筛选场景。

2.无创监测升级：通过 NIR-II 标测（深部组织缺血监测、手术导航）、可穿戴光子传感（多参数居家健康管理），实现从临床手术到日常健康的无创监测覆盖。

3.特殊领域适配：针对儿科（NIRS 监测脑氧 / 内脏氧合，指导 DHCA 手术）、中药（量化剂量依赖性心脏毒性）等特殊领域，提供适配性技术方案，填补传统方法在这些领域的应用空白。

参考文献：
[1]Baines O ,Sha R ,Kalla M , et al.Optical Mapping and Optogenetics in Cardiac Electrophysiology Research and Therapy: A State-of-the-Art Review.[J].Europace : European pacing, arrhythmias, and cardiac electrophysiology : journal of the working groups on cardiac pacing, arrhythmias, and cardiac cellular electrophysiology of the European Society of Cardiology,2024,DOI:10.1093/EUROPACE/EUAE017.