雖然不知道心臟起搏作用的確切機(jī)制，但我們是否可以自建一個「心臟」來復(fù)制這種物理過程？有科學(xué)家已經(jīng)做到了。

今天的主角，是一條條活蹦亂跳的「魚」。

這條魚在葡萄糖鹽溶液中四處游蕩，尾巴有節(jié)奏地左右擺動。你可能很難相信，這種擺動來源于人體心臟跳動的力量。

這是由哈佛大學(xué)和埃默里大學(xué)的科學(xué)家研發(fā)的一種「合成魚」裝置，是由活的心肌細(xì)胞（由人類干細(xì)胞培育而成）組成的，它可以持續(xù)游動 100 天以上。研究登上了頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474

這條合成魚的創(chuàng)造基于人體心臟的兩個關(guān)鍵調(diào)節(jié)特征：(1) 心臟自發(fā)發(fā)揮作用，無需有意識的輸入（自動性）；(2) 由機(jī)械運(yùn)動（機(jī)械電信號）發(fā)起的信息傳遞。

這項研究收獲的經(jīng)驗有助于研究人員更細(xì)致地研究心臟疾病。論文作者之一、哈佛大學(xué)生物工程師 Kevin Kit Parker 說：「研究的最終目標(biāo)是建造人造心臟來替代兒童畸形心臟。」

創(chuàng)建外觀結(jié)構(gòu)和心臟相似的東西相對容易，而制作實際功能類似心臟的模型則是一個艱巨的挑戰(zhàn)。蠕動的魚型機(jī)器人是朝著這一目標(biāo)邁出的一大步，它建立在之前兩項使用大鼠心肌細(xì)胞的研究基礎(chǔ)之上，一個是構(gòu)建人造水母，另一個是半機(jī)械黃貂魚。

「我可以用 Play-Doh 構(gòu)建一個模型心臟，但這并不意味著我可以構(gòu)建一個心臟。」Parker 說道。培養(yǎng)其他細(xì)胞相對容易，但無法通過設(shè)計使用其他細(xì)胞來概括一個在人體生命周期中跳動超過 10 億次的系統(tǒng)的物理特性。

這也正是挑戰(zhàn)的關(guān)鍵問題所在。此次用人體心臟細(xì)胞進(jìn)行的合成魚研究，就是想打開這個問題的突破口。

用心臟細(xì)胞做的「魚」什么樣？

首先來看這條合成魚的構(gòu)造。

在設(shè)計上，一方面，這條魚有雙層肌細(xì)胞，尾鰭兩側(cè)各有一層。當(dāng)一側(cè)收縮時，另一側(cè)伸展，這使得對機(jī)械運(yùn)動敏感的離子通道打開，導(dǎo)致帶電離子流入并在該側(cè)收縮。

整體而言，該魚是由 73000 個活體心肌細(xì)胞（cardio myocyte, CM）組成，水凝膠紙復(fù)合體總長為 14 毫米，總質(zhì)量為 25.0 毫克，包括 0.36 毫克肌肉質(zhì)量。

下圖詳細(xì)展示了這條魚的五層（five-layered）身體結(jié)構(gòu)。當(dāng)魚鰭一側(cè)收縮時，另一側(cè)伸展，形成了一個自我維持的游泳運(yùn)動。

另一方面，研究者還設(shè)計了一個「自主起搏節(jié)點」（autonomous pacing node），他們稱為 G-node，它就像普通的起搏器一樣，控制自主收縮的頻率和節(jié)奏。兩層肌肉和自主起搏節(jié)點一起能夠產(chǎn)生連續(xù)、自發(fā)和協(xié)調(diào)的來回鰭運(yùn)動，從而可以驅(qū)動這條魚游動超過 100 天。

考慮到這條合成魚的自主拮抗肌肉收縮，研究者探究了這種自主運(yùn)動能夠改善它的長期表現(xiàn)。結(jié)果顯示，這條合成魚保持自主運(yùn)動長達(dá) 108 天，相當(dāng)于跳動了 3800 萬次。與之對比，半機(jī)械黃貂魚只維持了 6 天，基于骨骼肌的合成致動器維持了 7 天。

下圖 5A 為合成魚的軌跡（網(wǎng)格 1cm）；5B 為具有 79% 拮抗收縮的 108 天合成魚的擺尾角度；5C 為合成魚在 108 天內(nèi)的游泳性能。配備雙層肌細(xì)胞的合成魚在第一個月表現(xiàn)出收縮幅度增強(qiáng)、最大游泳速度和肌肉協(xié)調(diào)性，并將它們的性能維持了 108 天。

這也意味著，和其他生物機(jī)器人不同，這條合成魚隨著年齡的增長性能還會不斷改進(jìn)。隨著心肌細(xì)胞的成熟，魚的肌肉收縮強(qiáng)度、最大游泳速度和肌肉協(xié)調(diào)性在第一個月都會提升，最終可以達(dá)到與野生斑馬魚相似的速度和效率。

具體而言，合成魚的游動速度（15.0 mm/s）超過了以往的生物混合肌肉系統(tǒng)。該速度是半機(jī)械黃貂魚的 5 至 27 倍，彰顯了反饋機(jī)制在生物混合系統(tǒng)開發(fā)中的重要性。并且，當(dāng)考慮到合成魚和半機(jī)械黃貂魚各自的肌肉質(zhì)量與身體總重量的比率時，這條合成魚每單位肌肉質(zhì)量的游動速度比半機(jī)械黃貂魚快了一個數(shù)量級，是后者最大速度的 13 倍。

下圖 4 為不同生物混合「魚」和野生魚之間的最大游動速度比較。可以看到，這條合成魚的最大速度超過了幼年斑馬魚和白摩利等。

未來展望

「通過利用兩層肌肉之間的心臟機(jī)械電信號，我們重建了每次收縮自動產(chǎn)生的循環(huán)，作為對另一側(cè)拉伸的反應(yīng)」，論文的共同一作、哈佛大學(xué)生物工程師 Keel Yong Lee 說道。「該結(jié)果展示了反饋機(jī)制在心臟等肌肉泵中的作用。」

研究者還將一個類似起搏器的系統(tǒng)集成到了生物混合體中，以形成一個能夠控制運(yùn)動頻率和協(xié)調(diào)性的孤立細(xì)胞簇。

「由于這兩種內(nèi)部起搏機(jī)制，我們的魚可以活得更長、移動得更快、游泳效率更高。」該論文的共同一作，佐治亞理工學(xué)院、埃默里大學(xué)華萊士 ·h· 庫爾特生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授 Sung-Jin Park 說道。

半機(jī)械半生物魚的組織范圍收縮與其所模仿的斑馬魚相當(dāng)——相比純機(jī)械機(jī)器人系統(tǒng)可以更有效地推動自身前進(jìn)。

「和以心臟組織作為藍(lán)圖的研究不同的是，我們確定了使心臟工作的關(guān)鍵生物物理原理，將其用作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并將它復(fù)制到一個系統(tǒng)中——一條活的、游泳的「魚」，這使得我們可以更容易地觀察我們是否成功了。」Sung-Jin Park 說道。

倫敦國王學(xué)院的 Mathias Gautel 說：「如果該研究的進(jìn)展順利，從動物真實心臟中分離出的原代細(xì)胞將可能會存活二至四個星期，甚至可以將其擴(kuò)展到小型動物整個生命周期的水平，這一事實令人驚嘆。」

未來，該團(tuán)隊將利用人類心臟細(xì)胞構(gòu)建更復(fù)雜的生物混合設(shè)備。