高分辨荧光标测技术（Optical Mapping）是心血管基础科研的必备工具之一，通过荧光染料标记与高速成像深度融合，同步高分辨跨尺度捕获可兴奋组织/细胞的电压、钙信号等关键生理参数。该技术突破传统局限，搭建细胞-组织-器官多尺度、可视化、定量化体系，赋能心血管机制、再生医学、药物筛选等领域，推动研究从定性向精准量化、单一参数向多维整合升级，成为现代生物医学的关键技术平台。

一、心血管疾病机制解析
高分辨荧光标测技术在心血管疾病机制研究中展现出强大的解析能力，能够针对心梗、心衰、心律失常、遗传性心肌病等多种疾病的核心病理环节，提供可视化、定量化的直接实验证据，为疾病发病机制验证与治疗靶点筛选奠定基础。

在心梗与缺血再灌注损伤研究中，高分辨荧光标测技术可精准区分梗死区、临界区与正常区的电生理差异，清晰捕捉梗死区域特有的传导阻滞、复极离散度升高特征，为心梗后心律失常的发生机制提供直接佐证。在缺血再灌注过程中，通过动态追踪动作电位异常、钙波无序传播及钙释放失衡等关键病理变化，能够明确缺血期与再灌注期的电生理损伤差异，为制定针对性药物保护策略提供实验依据。例如在大鼠心梗模型中，借助标测系统可量化不同治疗组（如 SDF-1α 封装葛根素水凝胶组）的传导速度变化，箱线图数据显示，SDF-1α@PUE 组的纵向传导速度显著优于对照组，证实该治疗方案可改善梗死区域的电传导功能^[1]。

图1 

针对心力衰竭，该技术可实现对心衰模型心脏的全局标测，精准量化肥厚 / 纤维化区域的电传导异质性及钙瞬变紊乱程度。例如在心力衰竭伴射血分数保留（HFpEF）模型中，标测结果显示，HFpEF 组心脏的动作电位时程（APD90）较对照组显著延长，APD 离散度明显增加，且通过程序性电刺激（PES）可诱发多形性室性心动过速（VT）。这些发现明确了复极延迟是 HFpEF 相关室性心律失常的核心机制^[2]。同时，高分辨荧光标测技术还能同步记录活心肌切片的电信号、钙瞬变与机械收缩力，成功衔接细胞层面钙 - 收缩耦联障碍与组织层面电传导异质性的中间环节，为完整解析心衰病理机制提供了关键技术支撑。

图2

在心律失常机制研究中，高分辨荧光标测技术可精准定位组织异常兴奋灶，清晰识别折返环结构与电传导轨迹，直观捕捉传导阻滞、传导异质性等致心律失常电生理特征。通过同步量化钙信号与电信号的时空关联特性，包括钙瞬变时程、幅值、钙交替现象，以及动作电位时程延长、复极离散度增加等，能够深入解析钙释放与摄取异常引发的钙稳态失衡，明确其在 “电重构” 底物形成中的核心驱动作用。例如在无菌心包炎房颤模型中，TRPV4 阻断剂可通过抑制钙信号紊乱，减少折返环形成，标测数据为该靶点的抗房颤作用提供了直接可视化证据^[3]。

图3

对于遗传性心肌病，通过构建基因敲除动物模型，或利用患者来源的致病基因重编程 iPSC，并将其分化为心肌细胞、构建心脏类器官，可精准检测其电 - 钙信号异常，如传导速度减慢、复极离散度增加、钙瞬变紊乱等，从而解析致病基因对心肌细胞电生理功能的影响。在磷蛋白 R14del 突变的遗传性心肌病模型中，标测结果显示，R14del 突变组心脏在 15Hz 起搏时左室 / 右室界面出现局部传导减慢，20Hz 时形成离散的传导阻滞区域，且存在显著的室间复极梯度，与 WT 心脏形成鲜明差异，明确了该突变导致心律失常的电生理机制^[4]。此外，利用基因敲除模型动物的胎儿心脏，本技术可在离体状态下记录心脏整体电传导路径与钙瞬变分布，揭示室间隔缺损等结构病变相关基因在心脏电生理发育中的作用。

图4

在心脏电传导机制研究中，通过绘制兴奋传导等时图，可量化传导速度、传导方向、传导离散度等关键参数，清晰解析窦房结起搏信号传导、房室结延迟机制及浦肯野纤维网络的传导规律。对于传导阻滞类疾病，能够精准定位阻滞位点，区分功能性与结构性传导障碍。在 USP10 过表达小鼠模型中，窦性模式与起搏模式下的心室激活标测均显示，USP10 过表达导致激活时间显著增加、传导速度降低（P<0.05），证实 USP10 通过去泛素化作用降解钠通道，引发心脏电传导异常，为传导障碍相关疾病的机制研究提供了直接可视化证据^[5]。

图5

二、临床样本电生理功能检测
活心肌切片有效突破了传统心脏标本获取难、伦理限制大的瓶颈。高分辨荧光标测技术辅以单细胞离子通道检测、生化学与组学分析，可系统解析心律失常、心肌重构等疾病的电生理异常机制，为临床病因明确提供关键电生理依据，同时支撑药物疗效评估与个性化治疗方案制定。

在临床样本活心肌切片的功能检测中，手术切除的活心肌切片经标准化程序制备，能在体外维持 4-6 小时活性，且保留心脏多细胞结构与功能。高分辨荧光标测技术可同步记录切片的动作电位、钙瞬变及传导参数，直接反映患者心肌组织的电生理特征。在疾病发病机制研究中，通过对比患者与正常心肌切片的电 - 钙信号差异，能够精准定位病理性电重构的关键区域，为个体化发病机制解析提供直接实验依据。例如在人类心室切片研究中，通过振动切片机制备 400μm 厚度的切片，在含兴奋 - 收缩解偶联剂的低温改良 Tyrode 液中保存活性，利用电压敏感染料 Di-4-ANEPPS 成功分析了传导速度、动作电位最大上升速度等电生理参数，揭示了 GSK-3 抑制剂对钠通道 Nav1.5 表达的调控作用及传导功能的影响^[6]。

在药物评价方面，利用患者来源的活心肌切片进行体外药物测试，可量化药物对患者心肌电生理参数（如传导速度、APD、钙瞬变时程）的影响，实现个性化有效药物的筛选。此外，通过检测心肌切片的电生理稳定性，能够预测患者术后心律失常复发风险，为临床预后评估提供客观指标，搭建基础与临床转化桥梁。

图6

三、iPSC-CMs 与心脏类器官的功能评价及应用拓展
在 iPSC-CMs（诱导多能干细胞衍生心肌细胞）功能评价中，高分辨荧光标测技术可同步记录动作电位、钙瞬变时程、传导速度、复极离散度等核心参数，精准量化 iPSC-CMs 的成熟度。在 TCP 与 PDMS 基质培养的 hPSC-CM 研究中，标测结果显示，40 天 PDMS 组的传导速度显著高于 TCP 组，接近成人人类心室肌传导速度水平，且胞内钙瞬变振幅更高、达峰时间更快、衰减更迅速，表明 PDMS 基质更有利于 iPSC-CMs 的功能成熟^[7]。针对疾病模型构建，通过向 iPSC 导入致病基因（如长 QT 综合征的 KCNQ1 基因突变），诱导分化为疾病特异性 iPSC-CMs，技术可捕捉其电 - 钙信号异常，构建 “致病基因 - 电生理异常” 的疾病模型，为罕见病机制研究提供重要工具。

图7

在心脏类器官研究中，高分辨荧光标测技术可适配不同尺寸的类器官（2mm 以上），同步检测类器官的电传导一致性、钙信号同步性及对药物的响应性。对于复杂心血管疾病，通过构建 3D 心脏类器官，技术可模拟体内病理微环境，解析组织层面的电传导异质性与钙瞬变紊乱，弥补 2D 细胞模型的局限性。在辐射损伤心脏类器官模型中，标测结果显示，辐射组钙信号激活时间显著加速、传导方向紊乱，出现多兴奋现象及传导折返，钙瞬态离散度和分散指数升高；而脐带间充质干细胞来源的小细胞外囊泡（UCMSCs-sEVs）处理后，上述异常均恢复至对照组水平，证实 UCMSCs-sEVs 可逆转辐射诱导的心脏类器官电生理损伤，为类器官在药物研发中的规模化应用提供了技术保障^[8]。

图8

四、心肌再生中的功能整合评估
将体外成熟的 hiPSC-CMs 移植至梗死心脏模型后，高分辨荧光标测技术可通过特异性荧光标记（如 GCaMP3）移植形成的心肌移植物，同步检测再生区域的电 - 钙信号与传导功能。具体包括移植物中 hiPSC-CMs 的动作电位形态（如复极时程、去极化速率）、钙瞬变特征（幅值、时程、同步性）是否趋近成年正常心肌；监测移植物与宿主心肌的电机械整合状态，精准识别是否存在传导阻滞、电信号脱节或折返风险；量化再生区域的电生理参数，明确移植物对梗死心脏收缩功能的改善作用。在猕猴梗死心脏 hESC-CM 移植模型中，标测结果显示，移植物区域的 GCaMP3 荧光信号与宿主心电图（ECG）QRS 波群同步，在自发节律（84 次 / 分钟）及 2Hz、3Hz、4Hz 起搏时均保持 1:1 电耦合，证实移植物与宿主心肌实现了稳定的电机械整合^[9]。此外，技术还可动态追踪再生过程中的电生理功能恢复时序，解析再生心肌细胞成熟度与电 - 钙信号整合的关联，为优化心肌再生策略提供实验依据，从而增强移植安全性与功能修复效果。

图9

五、药物研发与安全性评价
在抗心律失常药物效应的精准监测中，高分辨荧光标测技术通过量化药物对关键电生理参数的影响，实现对药物效应的精准评估。在离体心脏、心肌组织或 iPSC-CMs 模型中，可检测药物对传导速度、APD、复极离散度、钙瞬变时程等参数的调控作用：对于钠通道阻滞剂，可记录其剂量依赖性的传导速度减慢与 APD 延长效应；对于钾通道激活剂，可监测其对复极离散度的降低效果；对于钙通道调节剂，可评估其对钙瞬变幅值与同步性的改善作用。在 hERG 通道阻滞剂研究中，高风险药物 E4031（2μM）处理后，微组织的 APD80 显著延长（275.2±36ms vs 653.3±167.3ms），且出现早期后除极（EADs）；而低风险药物雷诺嗪在治疗剂量（2μM）及超治疗剂量（10μM）下，APD80 无显著变化，曲线无明显偏移，表明技术可有效区分药物的心律失常风险等级，为药物效应评估提供精准数据^[10]。

图10

六、新药心脏毒性的临床前评价
高分辨荧光标测技术可精准捕捉药物诱导的心脏毒性信号，包括 QT 间期延长、APD 延长、复极离散度增加、钙瞬变紊乱等。在 iPSC-CMs 细胞层中，可检测药物对 hERG、Nav1.5、Cav1.2 等关键离子通道的干扰作用，早期识别药物引发尖端扭转性室性心动过速（TdP）的风险；在离体心脏模型中，可同步记录药物对 QT 间期、QRS 宽度、传导速度等参数的影响，模拟体内药物暴露后的心脏电生理响应；在大动物模型中，结合 ECG 检测模块，可实现药物对在体心电参数的长期监测，满足 FDA、EMA 等国际申报标准。CiPA 体系明确包含心脏多种离子通道评价、动作电位计算机虚拟重建、iPSC 诱导分化心肌细胞模型及临床心电图评估四个部分，技术通过对 iPSC-CMs 电生理特征的精准检测，弥补了传统动物模型与人类生理差异的不足，显著提升了心脏毒性评价的预测准确性。

图11

七、多模态生理信号监测：实现心脏病理进程全链条解析
高分辨荧光标测技术可整合代谢、氧化应激、炎症等多模态生理信号，实现对心脏病理进程的 “多维度、全链条” 解析，为疾病机制的深度探索与靶向干预提供了创新思路。

图14

从疾病机制的深度解析到个性化医疗的实践探索，从新药安全性评价到再生医学的疗效验证，高分辨荧光标测技术持续为生物医学研究提供创新思路与精准工具。未来，随着技术的不断优化与多学科的深度融合，其在疾病精准诊疗、创新药物研发、医疗器械验证等领域的应用将进一步拓展，为人类健康事业的发展注入更强劲的动力。

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