哈佛學(xué)者用人類心肌細(xì)胞構(gòu)建“合成魚”，自主運(yùn)動長達(dá)一百零八天

用人類心肌細(xì)胞構(gòu)建“合成魚”

心臟作為人體的“引擎”，為人體全身的血液流動提供動力，負(fù)責(zé)把血液運(yùn)行至身體各個部分。一旦心臟功能下降，會直接影響心臟的泵血功能，嚴(yán)重影響正常生活，甚至危及生命。

研究發(fā)現(xiàn)，在沒有來自大腦信號的情況下，人類心臟依然可以跳動。這是由于心臟中存在起搏細(xì)胞，它能夠自發(fā)激動并能將其興奮電流傳至全部或一部分非自搏性心肌纖維的細(xì)胞或細(xì)胞群。然而對于起搏細(xì)胞自發(fā)激動的機(jī)制，目前尚不清楚。

科學(xué)家們沒有停止過對心臟的探究，一直致力于自建一個“心臟”來復(fù)制其跳動的物理過程，從而了解心臟起搏作用的確切機(jī)制。2012年，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Kevin Kit Parker實驗室利用硅樹脂和老鼠心肌細(xì)胞制造出了“人造水母”，它在電流的刺激下能夠在水中像水母那樣游動，整個過程和自然界中水母的運(yùn)動方式非常相似。

4年后，該實驗室又研發(fā)出了一款極其仿真的半機(jī)械黃貂魚。這條半機(jī)械黃貂魚利用小鼠的心肌細(xì)胞為動力來源、硅膠作為身軀、金絲作為骨骼，可以在水中自由游動，但僅維持了6天。

近日，在先前研究的基礎(chǔ)上，該實驗與埃默里大學(xué)的科學(xué)家共同研發(fā)出一種“合成魚”裝置。相關(guān)研究發(fā)表在《自然》上。這條“合成魚”由活的心肌細(xì)胞（由人類干細(xì)胞培育而成）組成，通過尾巴有節(jié)奏地左右擺動，可以在葡萄糖鹽溶液中四處游蕩。最終的研究結(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。

“合成魚”示意圖 這條“合成魚”由7.3萬個活體心肌細(xì)胞組成，包含五層身體結(jié)構(gòu)。由水凝膠紙復(fù)合體構(gòu)成魚的主體，尾鰭兩側(cè)各附著一層肌細(xì)胞，整個魚身總長為14毫米，總質(zhì)量為25毫克，其中肌肉的質(zhì)量為0.36毫克。當(dāng)尾鰭的一側(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。

另外，研究人員還設(shè)計了一個“自主起搏節(jié)點”，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。

“合成魚”示意圖

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：一是心臟自發(fā)發(fā)揮作用，無需有意識的輸入信號（自動性）;二是心臟跳動依賴由機(jī)械運(yùn)動（機(jī)械電信號）發(fā)起的信息傳遞。

“由于這兩種內(nèi)部起搏機(jī)制，我們的魚可以比以前的半機(jī)械魚活得更長、移動得更快、游泳效率更高，”該論文的共同第一作者Sung-Jin Park說道。Parker則表示：“研究的最終目標(biāo)是建造人造心臟來替代兒童畸形心臟?！?/p>

在第一個月，配備雙層肌細(xì)胞的合成魚便表現(xiàn)出肌肉收縮幅度增強(qiáng)、最大的游泳速度和肌肉協(xié)調(diào)性的增強(qiáng)。這表明，隨著心肌細(xì)胞的成熟，合成魚的性能會隨著年齡的增長而改善。最終，這條合成魚的最大速度超過了幼年斑馬魚和白摩利。合成魚的游動速度達(dá)到了15毫米/秒，這個速度是半機(jī)械黃貂魚的5倍～27倍，該結(jié)果顯示了反饋機(jī)制在生物混合系統(tǒng)開發(fā)中的重要性。

“我可以用橡皮泥構(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?！?/p>

Parker說道，“你可以在一個培養(yǎng)皿中培養(yǎng)一些隨機(jī)的腫瘤細(xì)胞，但你無法通過設(shè)計來概括一個在你的生命周期中跳動超過10億次的系統(tǒng)的物理特性”。這是挑戰(zhàn)，也是該團(tuán)隊接下來要努力去做的事情。（綜合整理報道）（編輯/克珂）