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从历史上看，科学家们在人体测试之前严重依赖动物研究来确定医疗产品（即药物或医疗器械）是否安全。虽然动物试验在许多情况下仍然是合理的，但寻找替代品是非常可取的。随着科学和工程的最新进展，动物试验替代品的开发比以往任何时候都更加可行。重新关注开发用于心脏安全性评估的人类 体外 替代方法至少部分归因于诱导多能干细胞 （iPSC） 技术的进步。可以使用来自患者的简单血液或皮肤样本在实验室中生成人心细胞，从而产生适合稳健高通量测试的人诱导多能干细胞衍生心肌细胞 （iPSC-CM）。3D 组织生物工程、微电极阵列技术、活细胞成像和其他技术的进展也有助于开发本集合中包含的协议。
Gerges 等人 1 的方案应用非侵入性光学方法 （MyoBLAZER） 来评估成人人原代心室心肌细胞收缩力的变化。细胞是电起搏的，图像分析并行测量多个细胞的肌节缩短。该方法可以每30分钟收集一次浓度-响应曲线，并提供构效关系数据。这种非侵入性光学方法有助于在高通量筛选期间保留成人人心肌细胞的生理学和药理学。此外，使用人类成人心肌细胞可以为预测收缩力提供关键的转化部分。
Lickiss 等人 2 的方法提出了一种混合收缩性和阻抗/细胞外场电位 （EFP） 技术，通过使用柔软、柔韧的硅基细胞培养底物，为行业标准的 96 孔平台增加了显着的促成熟特性。该方法通过在市售的健康hiPSC-CM中重新建立对异丙肾上腺素的生理正性肌力反应而被证明是成功的，这在标准（硬质）培养物中是故意不存在的，而无需3D系统。混合系统允许直接测量收缩力 （mN/mm2）、跳动率以及细胞单层密度和完整性。它还解决了传统 3D 系统的挑战（即低通量、大量培训需求），减少了完成检测所需的时间和成本。
该集合还包括 Feaster 等人的工作3，他们展示了一种 体外、高通量、非侵入性方法，使用无探针视频显微镜评估接种在柔性 Matrigel 床垫上的 2D 人干细胞心肌细胞的心脏收缩力调节 （CCM） 疗法。作者强调了 CCM 对健康和患病 hiPSC-CM 收缩特性的急性影响。该工具提供了一种低成本的方法来了解 CCM 的安全性或有效性，并且可以减少对动物研究的依赖并协助心脏电生理学医疗器械的监管决策。
Schaefer等人4的改进方案描述了 标准微电极阵列（MEA）系统的一种新扩展，该系统通常记录hiPSC-CM中的细胞外场电位，允许通过用纳秒激光束脉冲打开细胞膜来记录细胞内样动作电位。该设备不仅具有标准的MEA优势（即信号传播监测、急性和慢性实验），而且还可以在不使用强电场脉冲进行细胞电穿孔的情况下深入了解细胞内样动作电位形状。
Berry等人5的协议描述了一个 新平台，该平台能够可重复地制造3D工程肌肉组织（EMT），以直接测量收缩力。该仪器可以检测收缩力的微牛顿变化，从而使其成为剂量依赖性化合物筛选的有力工具。基于 hiPSC 的心脏组织以及骨骼肌组织的收缩力可以同时记录多达 24 个组织，并且可以在数周或数月内纵向分析数据。因此，研究人员需要最少的额外技能或培训。
最后，Zhao等人6的出版物描述了 一系列功能测定（细胞外场电位，动作电位，收缩力和钙），这些测定针对可由用户实验室内部生成的心肌细胞进行了优化。这可以使用斯坦福大学心血管研究所生物样本库 （https://med.stanford.edu/scvibiobank/request-cells.html） 提供的先前发表的分化方案和 iPSC 来完成，从而提供广泛的“患病”和对照细胞。这是一套用于主要心脏收缩力和电生理学记录的全套方法，包括标准方法（膜片钳、微电极阵列、钙敏感荧光探针和基于视频的收缩力测量）。
总之，虽然目前的方法集合并不声称是完整的（并且还在继续增长），但它已经是一套相对全面的方法，说明了当前在人类心肌细胞收缩力和电生理记录方面的许多挑战。它包括原代人心肌细胞的方案1、源自健康供体的市售hiPSC-CM2,3,4，以及针对携带先天性心脏病特征的细胞优化的方案3,6。这些方法涵盖各种细胞培养条件，从用于膜片钳实验的单细胞6，到硬质底物上的传统hiPSC-CM 2D单层1,4，柔软柔韧底物上的2D心肌细胞单层2,3，最后是3D工程心脏组织5.所包含的方法使用不同的方法来记录最相关的心脏生理学参数，例如收缩力（通过基于视频的测定1,3,6间接测量或直接使用收缩力2,5测量），动作电位（在使用膜片钳6的单个细胞中，具有MEA 4,6的替代细胞外场电位，或通过使用一种新方法对细胞进行孔隙，以使用标准MEA系统4）和钙瞬变（使用钙敏感探针6）记录类似动作电位的记录。总而言之，这些方法不仅提供了可以在其他实验室中复制的详细方案，而且还说明了人心脏体外方法的一些挑战，例如：hiPSC-CM不成熟，特别是在坚硬的底物上使用标准2D培养物时;荧光电压或钙敏感探针的不良影响;传统动作电位记录的通量低;标准场电位持续时间记录的解释困难;以及缺乏用于评估医疗器械（例如与药物相比）的检测方法。看到有多少实验室正在致力于改进这些方法，这将不可避免地导致这些方法在未来得到广泛应用，这是令人鼓舞的。