应用说明 | ElastoSens™ Bio
使用 ElastoSens™ Bio 测量心肌组织的力学性能
引言
心脏泵血的能力不仅取决于其电活动，还取决于其组织的力学特性。这些特性——从弹性到刚度再到粘弹性——决定了心肌在整个心脏周期中如何伸展、收缩和舒张。 这些力学特性的细微变化可能预示疾病的早期迹象，而更为显著的变化则会损害心脏充盈和射血的能力。通过研究这些特性，科学家和临床医生能够更好地理解健康心脏的运作机制，检测疾病的早期征兆，并设计出能够恢复或维持心脏功能的治疗方案。
心脏的主要力学特性
弹性
弹性反映了心肌在变形后恢复原状的能力。它对舒张期充盈至关重要，使心室能够容纳流入的血液，并随后高效地回缩以准备下一次收缩。
刚度
刚度代表了抵抗变形的能力，通常通过弹性模量或压力-容积关系等参数来量化。它在心脏周期中会动态变化，舒张期刚度较低，而收缩期刚度较高。
合规
顺应性是刚度的倒数，描述了心脏在充盈时扩张的能力。顺应性降低会限制充盈能力，是舒张功能障碍的标志性特征。
粘弹性
心脏同时表现出弹性和粘性行为，这意味着其反应不仅取决于拉伸程度，还取决于变形速率。这种粘弹性影响着心肌在收缩和舒张过程中如何消耗或储存能量。
各向异性
由于其复杂的纤维结构，心肌具有各向异性——其力学行为会随施加力的方向而变化。这种各向异性有助于实现高效的壁增厚和协调的泵血作用。
疾病与心肌组织力学性能之间的关系
射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）
HFpEF 与心肌僵硬度增加及顺应性降低密切相关。这些变化会损害舒张期充盈，导致尽管射血分数正常，但心脏仍难以满足循环需求。
纤维化
心脏纤维化以胶原蛋白过度沉积为特征，会导致细胞外基质变硬并改变其各向异性。这种重塑会破坏正常的力学特性，从而导致收缩功能和舒张功能障碍。
缺血/再灌注损伤
在缺血及随后的再灌注过程中，心肌刚度会发生动态变化。剪切波弹性成像研究显示，收缩期和舒张期刚度均发生改变，这反映了受损组织收缩和舒张功能受损。
扩张型心肌病
在扩张型心肌病中，被动和主动力学特性的改变——包括顺应性增加和粘弹性改变——会导致心腔扩张、收缩力减弱以及进行性心力衰竭。
如何评估心肌组织力学特性
体内技术（临床）
临床上，可通过侵入性和非侵入性技术评估心脏僵硬度。经导管进行的压力-容积环分析仍是评估心腔僵硬度的金标准。 非侵入性方法日益普及，包括追踪心肌内波传播的剪切波弹性成像（SWE），以及磁共振弹性成像（MRE）和声辐射力脉冲成像（ARFI）等先进成像技术。 这些方法为舒张期和收缩期功能提供了宝贵的见解，对于早期发现与疾病相关的变化至关重要。
体外技术（研究）
在研究中，体外方法能够对心脏组织力学特性进行详细表征。 常见的仪器包括拉伸试验、剪切流变测定和压痕测试（纳米至微米尺度），其应用范围从分离细胞到整颗心脏样本。这些技术可在受控条件下揭示弹性、粘度及粘弹性行为，帮助研究人员将分子变化与整体心肌力学特性联系起来。
案例研究：利用 ElastoSens™ Bio 进行心脏组织力学表征
在心脏生物力学领域， ElastoSens™ Bio 为体外测试提供了一种先进的方法。该仪器能够对粘弹性特性进行连续且无损的测量，确保在整个实验过程中组织完整性得以维持。其技术可对心脏软组织样本进行精确表征，并支持在不同环境条件下进行长期重复测试，从而拓展了比传统力学检测更丰富的信息。
为了展示ElastoSens™ Bio的功能，我们对心脏组织样本进行了一项体外研究。下一节将介绍本实验所采用的材料和方法，随后将呈现实验结果，展示该仪器应用的一个实际案例。
材料与方法
猪和羊的心脏取自当地一家农场。使用类似活检的打孔器，切取了近似圆柱形的组织样本（内径23毫米，高度不一）。 将每份样本小心放置于ElastoSens™ Bio仪器的宏观样本夹中。测量在室温下进行，每份样本的测试时间为一分钟。
该仪器提供了实时的粘弹性参数，包括剪切储能模量（G′）和阻尼比（Tan𝛿）。对于每种条件，结果均以来自五个独立样本的平均值表示，这些样本取自五颗不同心脏的同一解剖位置（n=5）。
图1。 置于ElastoSens™ Bio宏观样品架中的心肌组织样本，用于无损机械特性表征。
结果与讨论
图2显示，使用ElastoSens™ Bio无损检测系统测得，猪心组织表现出更高的剪切储能模量（G′ = 7.8 ± 1.3 kPa），而绵羊心组织则为4.1 ± 1.3 kPa，这表明猪心组织的刚度更大，且具有更强的弹性能量储存能力。 相反，绵羊组织表现出更高的阻尼比（Tanδ = 0.42 ± 0.05 与 0.36 ± 0.05），反映出更大的粘性能量耗散。 这些物种特异性的粘弹性特性凸显出，猪心肌在力学上更刚硬，而绵羊心肌的能量耗散能力更强。
我们测得的猪心肌参数与Kolipaka等人（2010）和Nenadic等人 （2009）的报道一致，后者利用磁共振弹性成像和剪切波振动测量法对猪心肌进行了测量，报告的剪切模量范围为7.69–12.7 kPa。 对于绵羊心肌，双轴拉伸测试报告的等效剪切储能模量范围为 4.4–10.2 kPa，平均值约为 6.5 kPa（Pandelani 等，2025），这反映了心室各区域和不同方向上的变化。 总体而言，ElastoSens™ Bio 可在受控的水合和加载条件下，以最少的操作实现离体组织测量。这种受控的实验设置减少了外部变异源，并捕捉了心肌组织的固有粘弹性响应。
图2：绵羊和猪心肌组织的粘弹性特性：使用ElastoSens™ Bio无损检测系统测得的剪切储能模量（G′）（左）和阻尼比（Tan𝛿）（右）（均值 ± 标准差，n=5）。
结论与展望
心脏组织的力学性能，包括弹性、刚度、粘弹性和各向异性，对于理解其生理功能和病理性重塑至关重要。 本研究证实，利用ElastoSens™ Bio进行无损粘弹性测试，能够可靠地测量心肌组织的力学特性，并获取剪切储能模量（G′）和阻尼比（Tan𝛿）等关键参数。 该方法可确保数据精确且具有可重复性，为跨物种和跨病理状况的比较研究提供了坚实的基础。
除了这些结果之外，ElastoSens™ Bio 还为心血管和生物材料研究提供了独特的优势：
- 简便的制备和设置可最大限度地减少操作步骤，并保持心肌的水分和结构。
- 高灵敏度和高重复性确保了在不同心脏区域（心房、心室、心室间隔）的测量结果一致，并能反映器官内部的变异性。
- 跨物种基准测试通过直接比较动物模型与人类的心脏力学特性，为转化研究提供了可能。
- 该平台的多功能性支持在相同条件下对各种心脏组织和生物材料进行测试，这对于开发心脏补片、支架或瓣膜替代物非常有用。
- 工程化组织应用得益于非破坏性、可重复的测量，这些测量能够捕捉生物工程心肌构建体的动态演变过程。
- 通过受控培养和反复检测，可以监测随时间推移的粘弹性特性变化，无论这些变化是由于缺血、药物干预还是疾病进展所致。
这些功能的综合运用，使ElastoSens™ Bio成为推动心脏组织研究、比较生理学以及工程化生物材料开发的重要工具。
参考文献
Villalobos Lizardi, J. C., Baranger, J., Nguyen, M. B., Asnacios, A., Malik, A., Lumens, J., … & Villemain, O. (2022). A guide for assessment of myocardial stiffness in health and disease. Nature Cardiovascular Research, 1(1), 8-22.
Emig, R., Zgierski-Johnston, C. M., Timmermann, V., Taberner, A. J., Nash, M. P., Kohl, P., & Peyronnet, R. (2021). Passive myocardial mechanical properties: meaning, measurement, models. Biophysical reviews, 13(5), 587-610.
Caenen, A., Keijzer, L., Bézy, S., Duchenne, J., Orlowska, M., Van Der Steen, A. F., … & Vos, H. J. (2023). Continuous shear wave measurements for dynamic cardiac stiffness evaluation in pigs. Scientific Reports, 13(1), 17660.
Kolipaka, A., Araoz, P. A., McGee, K. P., Manduca, A., & Ehman, R. L. (2010). Magnetic resonance elastography as a method for the assessment of effective myocardial stiffness throughout the cardiac cycle. Magnetic Resonance in Medicine, 64(3), 862–870.
Nenadic, I., Urban, M. W., & Greenleaf, J. F. (2009). Ex vivo measurements of myocardial viscoelasticity using shearwave dispersion ultrasound vibrometry (SDUV). Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2895–2898.
Pandelani, T., Mashosho, E., Walker, C., Scheffer, C., & Franz, T. (2025). Passive biaxial mechanical and microstructural characterization of adult ovine heart ventricles. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13, 1500585.
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