侧向供液让心肌组织免受直接液流冲击
人诱导多能干细胞（iPSC）来源的心肌细胞为药物评价提供了人源材料，细胞怎样排列、药物怎样送达，同样影响实验反应。加州大学伯克利分校等机构在 Scientific Reports 报道一个心脏微生理系统（MPS），通过芯片几何结构组织三维心肌组织，并用已知药物检验其功能。
芯片中央是细胞腔，两侧为培养液通道，之间由宽约 2 μm 的微通道连接。培养液沿两侧持续流动，营养和药物再扩散进入细胞区。这种设计将组织与直接液流分开，同时保持物质交换。
团队用荧光示踪和光漂白恢复实验检查扩散运输，4 kDa 示踪物的特征扩散时间约为 2.5 秒。计算模拟也显示，细胞腔附近以扩散运输为主，主要对流位于两侧培养液通道。
早期心肌细胞在芯片内形成定向搏动组织
人 iPSC 分化第 15–20 天的心肌细胞被高密度装入芯片。组织在装载后 24 小时内开始自发搏动，约 7 天后沿芯片长轴定向收缩。共聚焦成像显示组织包含多个细胞层，运动分析进一步记录了收缩方向和速度。
组织不需要外部起搏即可维持约每分钟 55–80 次的搏动。成形后的组织使用无血清培养液，芯片持续更新培养液；药物试验至少在装载 5 天后进行，给药约 30 分钟后用显微视频分析搏动频率。
研究还把表达 GCaMP6 钙信号报告蛋白的细胞用于芯片，结合荧光变化和机械运动记录钙活动。这提供了另一种功能观察方式，但本次 4 种药物的浓度—反应比较主要以搏动频率为指标。
4 种药物对搏动频率的影响不同
团队选择异丙肾上腺素、维拉帕米、美托洛尔和 E-4031，分别覆盖 β 肾上腺素能受体激动、多离子通道阻断、β 受体阻断及 hERG 阻断。已知药理作用提供了检查体系能否作出合理功能反应的参照。
异丙肾上腺素使搏动频率增加，其半数有效浓度（EC50）为 315 nM。维拉帕米则使搏动频率下降，半数抑制浓度（IC50）为 950 nM，在较高浓度出现异常节律，超过 1 μM 时观察到搏动停止。这里的抑制指标是搏动频率。
美托洛尔和 E-4031 也使搏动频率随浓度增加而下降。论文表 1 列出的美托洛尔和 E-4031 的 IC50 分别为 244 μM 和 392 nM。图中的 E-4031 为研究用药理工具，因此没有像临床药物那样标出治疗性游离血浆浓度区间。
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与既有二维细胞及人心室组织资料比较
作者将这些参数与已发表的二维 iPSC 心肌细胞、胚状体和组织水平资料比较。异丙肾上腺素的 EC50 更接近急性人心室组织实验资料；维拉帕米的 IC50 也高于部分二维细胞和胚状体资料。
以维拉帕米的 IC50 除以文献中平均治疗性游离血浆浓度，芯片得到的安全倍数约为 18，高于文献二维细胞试验的约 3。这个比较使用既有资料作为参照，各体系的实验条件并不完全相同。
本次验证集中于 4 种已知药物和搏动频率。三维定向组织、稳定供液和可直接拍摄的机械活动，使平台能够在相同芯片结构下进行药理比较。对于更广泛的心脏安全性问题，还需要增加药物覆盖和相应电生理、损伤等检测指标。