细胞经历拉伸的那一刻，电活动发生了什么？

BMSEED MEASSuRE 细胞力电耦合刺激电生理采集系统观察

在神经创伤、心肌力电耦合、类器官电生理的课题里，实验常常卡在同一个动作上：同一块组织、同一群细胞，在受到机械拉伸的那一刻，电活动究竟改变了什么？如果拉伸和记录必须分成两步完成，损伤前基线与损伤后响应就很难落在同一个样本、同一个电极坐标上；反复拉伸—松弛协议、拉伸过程中的连续光学观察，也很难被放进同一个时间窗口。MEASSuRE 的设计正是从这里切入的——它把力学加载、电生理采集和实时成像放进同一个平台，让研究者可以在拉伸前、拉伸中、拉伸后连续观察同一位置的功能信号。要理解这套系统在科研中的位置，需要先回到它试图回答的那个问题。

一、它要回答的科研问题，以及在这个问题上的位置

力–电耦合研究的核心困难不在于“拉伸”本身，也不在于“电生理记录”本身，而在于两者在时间和空间上的对齐。以玻璃或塑料为基底的刚性MEA能提供稳定的电生理接口，但它的力学环境是静态的；常规拉伸装置能施加可控形变，但拉伸过程中的电生理测量和活细胞成像难以同步完成。结果是，损伤后的功能变化往往只能与另一个样本的“对照基线”比较，组间变异很难被压低。

MEASSuRE 的解法落在耗材层面。它的核心是 sMEA（可拉伸微电极阵列） ：微电极嵌入PDMS硅胶基底中，电极随组织一起弹性形变，而不是固定在一个刚性平面上。组织切片或解离细胞培养在sMEA上，拉伸时电极与细胞保持同步位移，因而能够在机械刺激之前、之中、之后从同一位置记录电生理信号。损伤后的电活动可以直接归一化到同一器件上的损伤前基线，反复拉伸协议和拉伸过程中的光学验证也因此成为可操作的实验范式。

BMSEED 是当前唯一商业化供应“可拉伸微电极阵列 + 同步机械拉伸 + 细胞外电生理记录”整合方案的厂商。sMEA技术源于普林斯顿大学的研究工作，由BMSEED获得独家许可推进商业化；公司自2014年起持续获得NIH SBIR资助，2018年Phase II将sMEA与力学、电生理、成像硬件集成为完整的MEASSuRE系统。在这个细分问题上，MEASSuRE的不可替代性不在于“能拉伸”，而在于把力学变量和功能读出放进了同一个空间坐标和时间窗口里。

二、典型用途与使用场景

MEASSuRE 的用途围绕力学、电生理、成像三个模块的独立或同步运行展开，覆盖生理性与病理性两类力学条件。

生理性条件下，Mini型号以低应变、低应变率运行，适合心肌搏动、肺呼吸样周期性拉伸，可在CO₂培养箱中长期使用，用于追踪细胞或组织在慢性力学环境中的功能成熟与适应。心肌细胞在低应变率周期性拉伸下的动作电位分型、起搏与复极行为，以及机械转导中的早期电生理响应，都落在这个区间。

病理性条件下，Premium以高应变、中等应变率和X型号高应变、高应变率面向TBI、SCI和反复脑震荡建模。单次高速脉冲拉伸用于模拟冲击性损伤，周期性拉伸用于模拟重复性轻度损伤；损伤前后的网络活动、爆发率、同步化指标和突触可塑性终点从同一sMEA上读出。这一用途已延伸到神经保护药物筛选：在损伤模型中给药，以LTP等电生理功能指标作为药效终点。

向3D模型延伸是近年增长最快的方向。BMSEED在2D sMEA基础上发展了3D-MEASSuRE，配合3D贴合微电极（pMEA）和微流控MEA（mMEA），将力–电联合干预拓展到心脏类器官、脑类器官和共培养体系。NIH Fast Track SBIR资助的阿尔茨海默病与TBI交叉机制平台开发也属于这一路径。

三、已支持的研究方向与应用案例摘要

sMEA/MEASSuRE已支持的同行评审研究方向覆盖神经创伤（TBI/SCI/反复脑震荡）、突触可塑性与神经药理学、心脏力电耦合与类器官电生理、机械转导、药物神经保护筛选，以及向3D微流控和疾病交叉模型延伸的临床前平台开发。

案例一：TBI后海马网络活动的改变。 Kang等（2015，Journal of Neurotrauma）在sMEA上培养器官型海马切片，施加受控机械拉伸，在损伤前后从同一电极位置记录网络活动，系统展示了TBI对海马长时程网络同步化的影响。这是sMEA路线在神经创伤领域的奠基性验证之一，确立了“拉伸–同点位记录”作为可发表实验范式的可信度。

案例二：皮层网络损伤的时间–严重度依赖性。 Sullivan等（2024，Annals of Biomedical Engineering）利用sMEA对皮层神经元网络施加不同严重度的拉伸损伤，在损伤前及损伤后1、24、72小时记录发放率、Fano因子和爆发率，揭示损伤对网络活动的影响具有明确的时间进程和严重度梯度。Firestein实验室是MEASSuRE的beta测试站点之一，该独立产出是对平台可重复性的直接同行验证。

案例三：LTP与LTD在损伤后同时受损。 Dwyer等（2025，Biomedical Physics & Engineering Express）利用sMEA在体外拉伸损伤模型中测量突触可塑性，发现LTP和LTD在损伤后24小时均显著受损，将MEASSuRE的应用从“网络活动描述”推进到突触机制层面的功能终点。

案例四：心脏类器官的力电表征。 Patino-Guerrero等（2023，ACS Biomaterials Science & Engineering）将sMEA用于人iPSC来源同基因型心脏类器官的开发与电生理表征，展示了sMEA在3D心脏模型记录中的适用性。

国内用户案例：中国医科大学。 2024 年 12 月，教育部重大慢病发病机制及综合诊疗医药基础研究创新中心设备更新项目中，中国医科大学采购“细胞组织拉伸耦合电生理及实时成像系统”，政府采购结果公告明确标注品牌为 Bmseed，规格型号 Meassure。项目评审总得分 99.92 分，采购层级和预算量级在国内同类设备中极具有参照意义。另外，国内如济宁医学院、贵州医科大学、哈尔滨工业大学等单位也采购了该设备。

四、产品优势亮点

技术路径的独占性与连续性： sMEA是BMSEED的专有耗材，电极嵌入弹性体基质中，随组织同步形变，使拉伸前、中、后的同点位记录成为可能；BMSEED是这一整合方案的唯一商业化供应商。公司自2014年起持续获得NIH SBIR资助，Phase I到Phase II转化率50%；2018年Phase II（编号R44NS086118）完成MEASSuRE系统集成，验证在哥伦比亚大学Morrison实验室及另外三个独立站点完成；2022年再获Fast Track SBIR向3D微流控平台延伸。这一“专利—系统集成—3D延伸”的路径，表明技术路线经历了十余年的连续迭代和外部评审检验。

文献广度与独立作者群： sMEA/MEASSuRE相关产出覆盖 Journal of Neurotrauma、Annals of Biomedical Engineering、Experimental Neurology、ACS Biomaterials Science & Engineering、Biomedical Physics & Engineering Express 等期刊，横跨神经创伤、生物医学工程、神经工程和生物材料方向。Firestein实验室、Nikkhah实验室、Morrison实验室等独立作者群持续产出，而非仅由厂商内部主导，是同行认可度的直接指标。

用户端的独立评价： 哥伦比亚大学用户评价“可以在同一器件上多次记录、损伤后再记录”；佐治亚理工学院用户评价“参数可调、操作快捷”；亚利桑那州立大学用户强调“以非侵入方式获取电信号的便利性”。NIH Phase II阶段的独立站点验证覆盖TBI、心肌再生医学和SCI三个应用方向，为平台的可重复性提供了外部参照。

数据架构与合规衔接： 数据采集固件支持多模态时间同步采样（每通道最高50 kS/s），结构化数据流可在经验证的软件工作流下支持GLP机械生物学研究的审计就绪要求，并涉及21 CFR Part 11相关数据完整性框架。系统本身定位于临床前体外研究，GLP/GMP环境下的使用需要用户结合所在机构QA/QC体系完成验证——这一数据架构为有合规需求的用户提供了可衔接的技术基础。

核心进口性能与外围本地化衔接：MEASSuRE 定位是临床前体外研究工具，其核心性能模块采用进口部件：电生理采集使用进口电子元件，高速成像模块支持 2 MP / 2,000 fps，力学驱动为电磁闭环控制。外围配件、耗材供应、本地技术支持和部分实验适配由国内独家代理“世联博研（北京）科技有限公司”承接，sMEA支持环氧乙烷、紫外和高压灭菌，为国内用户的日常运行和售后响应提供了本地化条件。

五、核心性能与核心参数

MEASSuRE 的核心性能围绕力学加载、电生理采集与实时成像三个模块展开，三个型号的差异主要体现在力学模块的应变范围与应变速率能力上，电生理和成像模块则按型号递进配置。

力学模块采用音圈致动器闭环驱动，不依赖真空泵，支持径向、线性和自定义应变场。Mini 型号面向生理性慢拉伸条件，应变与应变速率处于较低区间，可放入培养箱中长期运行，适合心肌搏动、肺呼吸样周期性拉伸以及慢性力学环境下的功能追踪。Premium 和 X 型号面向病理性高速拉伸，应变范围覆盖损伤建模所需区间，X 型号的应变速率能力更高，用于需要快速形变的冲击性损伤范式。三个型号均可执行单次脉冲拉伸和周期性拉伸协议。

电生理模块支持多通道细胞外记录与电刺激，通道规模按型号配置，兼容可拉伸微电极阵列和刚性微电极阵列。刺激电流覆盖较宽范围，可满足从低强度调制到较强刺激的实验需求。采集固件支持多模态时间同步采样，数据流为结构化设计，便于后续分析与合规工作流衔接。

成像模块支持明场与荧光成像，具备高速采集能力，可在拉伸过程中进行活细胞可视化记录，并与电生理信号实现时间对齐。

耗材与运行条件方面，sMEA 以 PDMS 弹性体为基底，微电极嵌入弹性基质中，随组织同步形变，可重复使用，并支持环氧乙烷、紫外和高压灭菌等多种灭菌方式。Mini 型号支持培养箱内长期运行，Premium 和 X 型号面向短时程、高应变率的病理损伤实验。具体配置与性能边界可以联系世联博研（北京）科技有限公司了解详情。

六、典型应用文献

以下文献按期刊影响力/引用关注度优先、年份次之排列，聚焦于直接使用sMEA/MEASSuRE平台、且可公开追溯的同行评审论文，重点标注该系统在每项研究中的具体作用。

文献编号：1

文献中英文标题： Alterations in Hippocampal Network Activity after In Vitro Traumatic Brain Injury / 体外创伤性脑损伤后海马网络活动的改变

作者/通讯作者： Woo Hyeun Kang, Wenzhe Cao, Oliver Graudejus, Tapan P. Patel, Sigurd Wagner, David F. Meaney, Barclay Morrison III（通讯作者：Barclay Morrison III）

期刊： Journal of Neurotrauma 年份：2015 IF：约3.7

研究领域： 神经创伤；TBI体外模型；海马网络电生理

研究目的 / 科学问题： 利用可拉伸微电极阵列在体外重现TBI的机械损伤条件，探究机械拉伸对海马切片网络活动的影响。

实验方法： 器官型海马切片培养于sMEA上，施加受控机械拉伸，在损伤前后从同一电极位置记录电生理活动，分析网络同步化指标。

核心结果： sMEA能够在拉伸前、后从同一位置稳定记录海马切片电生理信号；TBI导致海马长时程网络同步化发生可量化的改变。

结论： sMEA在该研究中提供了“损伤前–损伤后同点位电生理记录”的唯一可行路径，使损伤效应能够直接与同一器件的自身基线比较，是该技术路线在神经创伤领域的奠基性验证。

文献编号：2

文献中英文标题： Stretch-Induced Injury Affects Cortical Neuronal Networks in a Time- and Severity-Dependent Manner / 拉伸诱导损伤以时间和严重程度依赖性方式影响皮层神经元网络

作者/通讯作者： Dylan Sullivan, Brandon J. Vaglio, Marina M. Cararo-Lopes, Ruben D. Ponce Wong, Oliver Graudejus, Bonnie L. Firestein（通讯作者：Bonnie L. Firestein）

期刊： Annals of Biomedical Engineering 年份：2024 IF：5.4

研究领域： 神经创伤；TBI原发损伤；皮层神经元网络电生理

研究目的 / 科学问题： 系统研究物理性拉伸损伤对皮层神经元网络电生理活动的影响是否具有时间和严重程度的依赖性。

实验方法： 皮层神经元培养于sMEA上，施加不同严重程度的拉伸损伤，在损伤前及损伤后1、24、72小时记录发放率、Fano因子和爆发率。

核心结果： 拉伸损伤对皮层网络活动的影响呈现明确的时间进程和严重度梯度；高严重度损伤导致更显著的网络功能障碍。

结论： sMEA使同一培养物在损伤前基线与损伤后多个时间点之间的连续追踪成为可能，为TBI原发损伤的剂量–时间关系提供了高时间分辨率的体外功能证据。

文献编号：3

文献中英文标题： Development and Characterization of Isogenic Cardiac Organoids from Human-Induced Pluripotent Stem Cells Under Supplement Starvation Regimen / 补充饥饿方案下人诱导多能干细胞来源同基因型心脏类器官的开发与表征

作者/通讯作者： Alejandra Patino-Guerrero, Ruben D. Ponce Wong, Vikram D. Kodibagkar, Wuqiang Zhu, Raymond Q. Migrino, Oliver Graudejus, Mehdi Nikkhah（通讯作者：Mehdi Nikkhah）

期刊： ACS Biomaterials Science & Engineering 年份：2023 IF：约5.5–5.8

研究领域： 心脏组织工程；hiPSC来源心脏类器官；电生理表征

研究目的 / 科学问题： 开发同基因型hiPSC来源心脏类器官，验证sMEA作为3D心脏类器官电生理记录平台的适用性。

实验方法： 在sMEA上培养心脏类器官，进行补充饥饿处理，记录自发电活动，结合形态学与分子表征评估功能状态。

核心结果： sMEA能够从3D心脏类器官中获取稳定的电生理信号；补充饥饿引起的功能变化与sMEA记录到的电活动改变一致。

结论： sMEA在该研究中承担了3D心脏类器官功能读出的核心角色，将平台的应用从2D神经模型拓展到心脏类器官的力电耦合和药物评价场景。

文献编号：4

文献中英文标题： NTS-105 decreased cell death and preserved long-term potentiation in an in vitro model of moderate traumatic brain injury / NTS-105在中度创伤性脑损伤体外模型中减少细胞死亡并保护长时程增强

作者/通讯作者： Mary Kate R. Dwyer, Nicolas Amelinez-Robles, Isabella Polsfuss, Keondre Herbert, Carolyn Kim, Nevin Varghese, Tom J. Parry, B. Buller, T. A. Verdoorn, C. B. Billing Jr, Barclay Morrison III（通讯作者：Barclay Morrison III）

期刊： Experimental Neurology 年份：2024 IF：约5.0–5.5

研究领域： 神经药理学；TBI神经保护；突触可塑性电生理

研究目的 / 科学问题： 在中度TBI体外模型中评价新型神经甾体NTS-105的神经保护效果，以LTP作为功能终点。

实验方法： sMEA上建立中度TBI体外模型，损伤后给予NTS-105，记录LTP并量化细胞死亡。

核心结果： 损伤后给予10 nM NTS-105可减少细胞死亡，并防止LTP缺损，且不 adverse 影响未损伤培养物的神经元活动。

结论： sMEA将“损伤–给药–突触可塑性功能读出”整合在同一体外平台上，使神经保护候选化合物的药效能够以电生理功能终点直接评价，而非仅依赖结构指标。

文献编号：5

文献中英文标题： Long-term potentiation and long-term depression are both impaired after in vitro stretch injury measured with stretchable microelectrode arrays / 体外拉伸损伤后长时程增强与长时程抑制均受损：可拉伸微电极阵列测量

作者/通讯作者： Mary Kate Ryan Dwyer, Isabella Polsfuss, Keondre Herbert, Nevin Varghese, Barclay Morrison III（通讯作者：Barclay Morrison III）

期刊： Biomedical Physics & Engineering Express 年份：2025 IF：约1.6–2.0

研究领域： 神经创伤；突触可塑性；sMEA电生理测量

研究目的 / 科学问题： 系统测量拉伸损伤后LTP和LTD两个方向的突触可塑性是否同时受损。

实验方法： sMEA上培养神经组织，施加受控拉伸损伤，损伤后24小时记录LTP和LTD的诱导与维持。

核心结果： LTP和LTD在损伤后24小时均显著受损，表明损伤对突触可塑性的损害不局限于单一方向。

结论： sMEA使损伤前后突触可塑性的同点位、同器件测量成为可能，为TBI后突触功能障碍的双向机制提供了直接电生理证据。

文献编号：6

文献中英文标题： Bridging the gap between in vivo and in vitro research: Reproducing in vitro the mechanical and electrical environment of cells in vivo / 弥合体内与体外研究的鸿沟：在体外重现细胞的力学与电学环境

作者/通讯作者： Oliver Graudejus 等（BMSEED）

期刊： Frontiers in Cellular Neuroscience（MEA Meeting event abstract） 年份：2018/2019 IF：会议摘要，不适用

研究领域： 力电耦合平台技术；sMEA/MEASSuRE系统

研究目的 / 科学问题： 阐述MEASSuRE将机械拉伸与电生理记录整合的设计逻辑，展示其在生理与病理拉伸条件下的应用能力。

实验方法： 平台技术展示与代表性应用数据汇总，涵盖sMEA结构、三模块同步工作流及在海马切片和心肌细胞上的示例。

核心结果： sMEA的弹性电极设计使拉伸过程中的电生理记录成为可能，MEASSuRE的三模块架构提供了完整的力–电耦合实验工作流。

七、科研用户常见问题

Q：MEASSuRE 和传统细胞拉伸仪的根本区别是什么？
传统拉伸仪多数只能在拉伸结束后观察结果，无法在拉伸过程中同步读取电活动。MEASSuRE 的核心是 sMEA——电极随细胞一起弹性拉伸，因此在拉伸前、中、后都能从同一位置记录电生理信号，把“力学刺激”和“功能读出”合并到同一个时间窗口里。

Q：sMEA 和普通刚性 MEA 或“柔性”MEA 有什么不同？
sMEA 的基底是 PDMS 弹性体，电极嵌入硅胶中并随基底同步形变，提供的是柔软的、动态匹配的力学环境，而不只是“可弯曲”的静态柔性。这种弹性匹配是拉伸与记录能够真正同步、而不因电极–组织力学失配产生伪迹或接触失效的前提。

Q：可以只用电生理模块或只用力学模块吗？
可以。力学、电生理、成像三个模块既可独立运行，也可同步联用，用户可以按实验阶段灵活配置，也支持后续逐步加装。

Q：应变和应变率覆盖哪些应用？
Mini 覆盖生理性慢拉伸（≤20%，≤1/s），适合心肌搏动、肺呼吸样条件；Premium（≤50%，≤60/s）和 X（≤50%，≤90/s）面向 TBI/SCI 等病理性高速拉伸。

Q：能否在培养箱中长期使用？
可以。系统设计支持长期放入 CO₂ 培养箱运行，Mini 型尤其适合慢性拉伸–电生理监测实验。

Q：sMEA 耗材能重复使用吗？怎么灭菌？
可以重复使用，典型寿命 5–30 次，支持环氧乙烷、紫外和高压灭菌，具体次数取决于使用和清洗条件。

Q：国内有可参考的用户和本地支持吗？
中国医科大学 2024 年 12 月通过政府采购 MEASSuRE，用于教育部重大慢病创新中心设备更新，是目前可公开核实的最新国内重点用户案例。另外，国内如济宁医学院、贵州医科大学、哈尔滨工业大学等单位也采购了该设备。国内由独家代理商世联博研（北京）科技有限公司代理提供销售、技术支持和实验服务。

一句话收束：MEASSuRE 的不可替代性在于 sMEA 把“给力学”和“读电活动”在时空上真正对齐，这对需要回答“机械力如何改变电活动、电活动又如何反馈于力学响应”的实验室来说，MEASSuRE质量可靠，体外研究定位清晰，国内多家重点单位采购参照，是当前商业化工具中路径最短、变量控制最直接的选择之一。