药物安全性问题是当今世界一大挑战,它关乎人类的健康与安全,但每年药物引起的不良事件均时有发生。其中,药物引起的心脏副作用是新药研发项目终止以及造成上市药物撤回的一大主要因素,对公共健康、经济发展等造成严重影响。针对临床前药物心脏安全性研究而言,动物模型因药物评价过程的特殊性,其主要依赖于手工操作实现,通量较小,在实验效率上存在不足,因此近年来催生了许多高通量、功能性细胞水平药物评价的新方法。体外试验,特别是以心肌细胞作为分析对象,不仅能够在研发早期对于药物的心脏副作用给出准确判断,为后续试验提供方案制定与选择的参考依据,也可以对已上市流通的药物提供安全性全面评估,对药物研发降低成本,缩短周期,减少临床受试者风险,保障药物可信度等,均具有十分重要的意义。实验室阶段的细胞活性测定法通常使用标记式方法进行分析,如荧光染料(荧光素、离子染料)、还原性化合物(CCK-8,MTT试剂)等,只能获得单一时间点的细胞行为与状态,而电压钳、膜片钳和微电极阵列等目前较为成熟的工程技术只能提取单一参数,因此亟需一种方法来满足药物安全高通量、连续性与多参数评估的需求。本论文以细胞传感器技术为基础,使用HL-1心肌细胞作为敏感元件,研究了一种新型多通道生物传感器,设计了集成细胞电阻抗和电生理兴奋性的双功能检测系统及其分析软件,建立了 HL-1心肌细胞药物评估模型,分析了模型中细胞的刺激频率与最佳响应信号幅值和相位之间的相关性。最后,本文选择了两种典型的临床药物进行了实验,结果表明,本文研究的多功能细胞传感器可以有效地检测和评价药物对细胞的作用效果及其对心脏的副作用。本文完成的主要研究内容和创新性工作如下:1、设计和加工了一种新型多通道和双功能心肌细胞传感器,实现了对细胞电阻抗与胞外场电位信号的多参数复合传感本文设计了一种新型多通道和双功能心肌细胞传感器,每个传感器单元包括两对微间距叉指电极以及两组平面微电极。其中,叉指电极用于细胞电阻抗传感,记录贴附在电极表面细胞的数量,生长形态和细胞间连接等信息变化;平面微电极用于细胞胞外场电位信号传感,检测可兴奋细胞类型细胞膜表面由于离子跨膜运输引起的电生理活动及变化。结合微结构剥离工艺加工技术,该新型多通道细胞传感器可以实现心肌细胞电阻抗与胞外场电位信号在同一单元的复合传感。2、设计和构建了检测细胞电阻抗和胞外场电位的双功能控制系统及多参数信号分析软件,实现了细胞活性和电生理兴奋性的同时监测为满足所设计多通道细胞传感器在细胞电阻抗与胞外场电位信号复合传感的需求,本文设计并构建了相应的双功能硬件检测与控制电路系统,实现了细胞活性与电生理兴奋性的同时检测与跟踪。细胞电阻抗检测模块测试变异系数为0.5%,24 h长时检测漂移小于0.1 CI。胞外场电位检测模块噪声峰峰值为10μV。在此基础上,本文也设计了相应的多参数信号分析算法,实现了细胞活性跟踪,周期性电生理信号时间依赖性特征的提取与分析。3、提出了基于新型HL-1心肌细胞活性和电生理兴奋性的多时程药物作用分析模型,验证了该模型在药物药效评价和对心脏副作用评估的可行性HL-1细胞是目前唯一一种能不断分裂并且保持成熟心肌细胞表型特征的心肌细胞。本文结合HL-1心肌细胞作为敏感元件,优化了其在多通道心肌细胞传感器上的种植密度,提出了基于细胞长时活性和短时电生理兴奋性变化原理的多时程药物评估模型,重点研究了电阻抗信号检测激励参数的选择以及电生理特性周期信号多时程特征变化的分析,并与传统CCK-8和生物活性荧光检测分析方法对比,最终对心血管药物硝苯地平和化疗药物长春花碱两种典型临床药物的药效以及心脏副作用完成了多参数检测与评估。