的表 面上培养细胞；
[0072] 用可调节的光源照射RWG生物传感器，其中可调节光源在覆盖至少一个RWG生物 传感器的共振波长的特定范围内扫描照射波长；
[0073] 使用高速光学照相机采集来自至少一个RWG生物传感器的共振反射光的光谱图 像，其中当可调节光源扫过特定范围的波长时，同步得到一系列光谱图像；
[0074] 对光谱图像进行处理以：
[0075] 得到在至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置处的中心共振波长；并且
[0076] 提取至少一个RWG生物传感器的二维空间解析共振波长图像；
[0077] 使用低频率扫频波长解调模式实时监测至少一个生物传感器的共振波长图像，并 且该低频率为〇. 001至1赫兹；
[0078] 将数据采集从低频率扫频波长解调模式切换到高频率强度监测模式，其中使用具 有特定波长的第二光源照射至少一个RWG生物传感器，并且高频率为1至100赫兹；
[0079] 实时监测来自至少一个RWG生物传感器的5秒至1分钟的反射光的强度以得到高 频率光强度调节图像；
[0080] 切换回扫频波长解调模式以实时监测至少一个RWG生物传感器的共振波长图像； 并且
[0081] 对共振波长图像数据进行处理以得到高频率光强度调节光谱和低频率共振波长 动态质量再分布（DMR)信号，其中使用高频率光强度调节光谱来监测培养的细胞的高频率 搏动谱，并且使用低频率共振波长DMR信号来监测细胞应答诱导的DMR。
[0082] 在实施方式中，该方法还可包括：
[0083] 使细胞与分子接触；
[0084] 采集用分子处理后的特定时间的高频率光强度调节光谱，和用分子处理后剩余时 间的低频率共振波长DMR信号；
[0085] 比较用分子处理之前与之后的高频率光强度调节光谱，和用分子处理之前与之后 的低频率共振波长DMR信号，其中高频率光强度调节模式的变化和低频率共振波长DMR信 号的变化是该分子对培养的细胞产生作用的指标。在实施方式中，可调节光源可从覆盖生 物传感器的共振波长的特定范围内扫描波长。在实施方式中，该波长范围可以是，例如， 825nm至840nm。在实施方式中，完成单次扫描的时间可以是，例如，3秒，例如，当在波长扫 描期间获取总共150帧图像时。
[0086] 在实施方式中，生物传感器的共振波长图像的时间系列可用于产生动态质量再分 布（DMR)信号。在实施方式中，从生物传感器反射的光的强度图像的时间系列可用于产生 用和不用药物处理的细胞的振荡模式。在实施方式中，第二照射光源的特定波长可以是至 少一个RWG生物传感器的所有像素化位置的中心共振波长的平均值以上100皮米至1500 皮米，例如，100pm、200pm、300pm、400pm、500pm、600pm、800pm、1000pm或 1500pm，包括中间 值和范围。在实施方式中，照射光源的波长可以是生物传感器的所有像素化位置的中心共 振波长的平均波长以上500pm。在实施方式中，第二照射光源的特定波长可以是至少一个 RWG生物传感器的所有像素化位置的中心共振波长的平均波长以下约100皮米至约1500皮 米，例如，100pm、200pm、300pm、400pm、500pm、600pm、800pm、1000pm或 1500pm，包括中间值 和范围。
[0087] 本发明还提供了一种免标记方法，用于评价药物分子的心脏毒性，包括：
[0088] 在至少一个共振波导光栅（RWG)生物传感器的表面上培养心肌细胞；
[0089] 在第一模式中，使用第一扫频波长解调方案照射至少一个RWG生物传感器，其中 第一扫频波长范围为至少5nm并且扫频周期持续至少1秒；并且使用空间解析的扫频波长 解调共振波导光栅成像仪实时监测至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置处的中心 共振波长；
[0090] 在第二模式中，使用第二扫频波长解调方案照射至少一个RWG生物传感器，其中 第二扫频波长范围为至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置处的中心共振波长平均 值的3nm范围以内，并且扫频周期持续不到0. 3秒；并且使用成像仪，采用空间解析的扫频 波长解调共振波导光栅成像仪实时监测至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置处的 中心共振波长；
[0091] 在第三模式中，使用具有特定波长的第三光源照射至少一个RWG生物传感器，其 中第三光源的特定波长是高于、低于或等于至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置处 的中心共振波长平均值的特定波长；并且使用成像仪实时监测通过第三光源照射的来自至 少一个RWG生物传感器的共振反射光的强度；
[0092] 在采用第一模式的成像仪内监测培养的细胞以得到培养的细胞的缓慢动态质量 再分布（DMR)响应；
[0093] 将成像仪从第一模式切换到第二模式，使成像仪监测培养的细胞的快速DMR响 应；并且
[0094] 将成像仪从第一或第二模式切换到第三模式，使成像仪监测培养的细胞的高频率 光强度调节信号，其中缓慢和快速DMR信号以及高频率光强度调节信号可用于研究药物分 子对培养的细胞的作用。
[0095] 本发明还提供了免标记共振波导光栅生物传感器成像系统，用于测量在存在和不 存在药物分子的情况下的培养的心肌细胞的动态质量再分布（DMR)信号和搏动图，该系统 包含：
[0096] 可调节光源，其在覆盖至少一个RWG生物传感器的共振的具体范围内扫描照射波 长；
[0097] 电荷耦合装置（CXD)照相机，其例如以像素化的形式记录来自至少一个RWG生物 传感器的反射光；
[0098] 计算机程序，其计算至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置的中心波长；
[0099] 操作系统，其允许用三种不同的检测模式照射至少一个RWG生物传感器，包含：
[0100] 使用第一扫频波长解调方案来照射至少一个RWG生物传感器的第一模式，其中第 一扫频波长范围是至少5nm并且扫频周期持续至少1秒；
[0101] 使用第二扫频波长解调方案来照射至少一个RWG生物传感器的第二模式，其中第 二扫频波长范围在至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置处的中心共振波长的平均 值的3nm范围以内，并且扫频周期持续不到0. 3秒；和
[0102] 使用具有特定波长的第三光源照射至少一个RWG生物传感器的第三模式，其中第 三光源具有高于、低于或等于至少一个RWG生物传感器的所有像素化位置的中心共振波长 的平均值的特定波长；以及
[0103] 计算机和显示器，其用于提取和显示使用三种不同的检测模式得到的数据。
[0104] 1.心肌细胞
[0105] 心肌细胞，也称为心肌肌肉细胞，是包含心肌的细胞。心肌（心脏肌）是心脏（特 别是心肌层）的组织学基础，并且是心脏的壁中发现的一种不随意横纹肌。心肌是三种主 要的肌肉类型之一，其余两种是骨骼肌和平滑肌。心肌细胞可含有一个、两个或非常罕见地 含有三个或四个细胞核。心脏中心肌细胞的协同收缩将血液从心房和心室外推到左侧/身 体/全身循环系统和右侧/肺/肺部循环系统的血管中。像身体中的所有组织那样，心肌 细胞依赖于足量的血液供应以递送氧和营养物质并去除废物，如二氧化碳。心肌展现出由 厚和薄蛋白丝的交替片段形成的交叉条纹。像骨骼肌那样，心肌的主要结构蛋白是肌动蛋 白和肌球蛋白。
[0106] 原代心肌细胞通常用于药物诱导的心脏毒性的体外测试。这些原代心肌细胞具有 组装所有心脏离子通道的优势。虽然心肌细胞提供了一种用于研究整体细胞生理学的系 统，在导致再极化的电流和药理学灵敏度中存在显著的种间差异。预测能力的缺失阻碍了 衍生自动物模型的数据直接转化到人中。这因用于测试目的的离体人心肌细胞的严重短缺 而被进一步复杂化。此外，成人心肌细胞经最终分化具有极低的增殖能力，限制了其在需要 大量体积细胞的大规模筛选应用中的用途。分离过程是耗时、困难和高成本的，并且一旦处 于培养中，离体成人心肌细胞快速去分化，阻碍了长期培养中的表型维持。
[0107] 近年来，人胚胎或iPS干细胞衍生的心肌细胞具有提供人心肌细胞来源的潜力， 这可能有助于克服物种差异的问题。这些衍生的心肌细胞可形成具有一些心脏组织特征的 簇，这也可允许评价组织参数。此外，人干细胞具有不受限制的增殖并且可在理论上用作取 之不尽的细胞来源。当在合适的条件下增殖时，hESC在许多年里是核型和表观遗传上稳定 的，提供稳定和可依赖的来源，在重复性至关重要的药物筛选中是特别重要的。衍生自hESC 或iPS的心肌细胞在标准体外培养条件下是非常持久的，允许对急性作用如hERG通道抑 制，以及与延长的药物暴露相关的较长期作用如离子通道运输进行评价。作为单层制备物 或在更大的聚集体或簇中，这些衍生的心肌细胞展示出收缩的功能性同步化，这促进了对 细胞与细胞偶联、信号转导和再极化特征的研究。此外，这些心肌细胞在以簇或聚集体模式 组合在一起时是非常稳健的并且允许重新分配进出未针对长期细胞培养设计的检测设备。
[0108] 2.共振波导光栅生物传感器
[0109] RWG生物传感器由，例如基材（例如玻璃）、包埋了光栅结构的波导薄膜和生物细 胞层组成。RWG生物传感器通过衍射光栅的方式将光共振耦合进入波导，导致在溶液-表面 界面处的全内反射，进而在界面产生电磁场。这一电磁场本质是渐消的，表示它从传感器表 面指数式衰减；它衰减到初始值的Ι/e的距离称为贯穿深度，它随具体的RWG生物传感器的 设计而变化，但通常在约200纳米级。这类生物传感器利用这种渐消波来鉴定，例如传感器 表面上或靠近该表面的细胞层由配体诱导的变化。
[0110] 3.扫频波长共振波导光栅成像系统
[0111] 最近开发了扫频波长共振波导光栅成像系统（参见，Ferrie，A.M.等，Resonant waveguidegratingimagerforlivecellsensing(用于活细胞感应的共振波导光 概成像仪）·Appl.Phys.Lett. 2010,97 :223704 ;和Ferrie，A.Μ·等，Highresolution resonantwaveguidegratingimagerforcellclusteranalysisunderphysiological condition(用于在生理条件下细胞簇分析的高分辨率共振波导光栅成像仪）.Appl.Phys. Lett. 2012,100 :223701)。这些RWG成像仪具有例如12微米或80微米的空间分辨率。对 于具有12微米的空间分辨率的高分辨率RWG成像仪，引导来自扫频可调节光源的光束聚焦 在例如384孔微板内的3x4生物传感器阵列上；并且使用高速CMOS(补充金属氧化物半导 体）数码照相机来记录逃逸和反射的共振光。该照相机具有1400x1024像素，像