哈佛学者用人类心肌细胞构建“合成鱼”，自主运动长达一百零八天

用人类心肌细胞构建“合成鱼”

心脏作为人体的“引擎”，为人体全身的血液流动提供动力，负责把血液运行至身体各个部分。一旦心脏功能下降，会直接影响心脏的泵血功能，严重影响正常生活，甚至危及生命。

研究发现，在没有来自大脑信号的情况下，人类心脏依然可以跳动。这是由于心脏中存在起搏细胞，它能够自发激动并能将其兴奋电流传至全部或一部分非自搏性心肌纤维的细胞或细胞群。然而对于起搏细胞自发激动的机制，目前尚不清楚。

科学家们没有停止过对心脏的探究，一直致力于自建一个“心脏”来复制其跳动的物理过程，从而了解心脏起搏作用的确切机制。2012年，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的Kevin Kit Parker实验室利用硅树脂和老鼠心肌细胞制造出了“人造水母”，它在电流的刺激下能够在水中像水母那样游动，整个过程和自然界中水母的运动方式非常相似。

4年后，该实验室又研发出了一款极其仿真的半机械黄貂鱼。这条半机械黄貂鱼利用小鼠的心肌细胞为动力来源、硅胶作为身躯、金丝作为骨骼，可以在水中自由游动，但仅维持了6天。

近日，在先前研究的基础上，该实验与埃默里大学的科学家共同研发出一种“合成鱼”装置。相关研究发表在《自然》上。这条“合成鱼”由活的心肌细胞（由人类干细胞培育而成）组成，通过尾巴有节奏地左右摆动，可以在葡萄糖盐溶液中四处游荡。最终的研究结果显示，这条“合成鱼”保持自主运动长达108天，相当于跳动了3800万次。

“合成鱼”示意图 这条“合成鱼”由7.3万个活体心肌细胞组成，包含五层身体结构。由水凝胶纸复合体构成鱼的主体，尾鳍两侧各附着一层肌细胞，整个鱼身总长为14毫米，总质量为25毫克，其中肌肉的质量为0.36毫克。当尾鳍的一侧收缩时，另一侧伸展，这使得对机械运动敏感的离子通道打开，导致带电离子流入并在该侧收缩。

另外，研究人员还设计了一个“自主起搏节点”，他们称为G-node，它就像普通的起搏器一样，控制自主收缩的频率和节奏。

两层肌肉和自主起搏节点一起能够产生连续、自发和协调的来回鳍运动。

“合成魚”示意图

这条合成鱼的创造基于人体心脏的两个关键调节特征：一是心脏自发发挥作用，无需有意识的输入信号（自动性）;二是心脏跳动依赖由机械运动（机械电信号）发起的信息传递。

“由于这两种内部起搏机制，我们的鱼可以比以前的半机械鱼活得更长、移动得更快、游泳效率更高，”该论文的共同第一作者Sung-Jin Park说道。Parker则表示：“研究的最终目标是建造人造心脏来替代儿童畸形心脏。”

在第一个月，配备双层肌细胞的合成鱼便表现出肌肉收缩幅度增强、最大的游泳速度和肌肉协调性的增强。这表明，随着心肌细胞的成熟，合成鱼的性能会随着年龄的增长而改善。最终，这条合成鱼的最大速度超过了幼年斑马鱼和白摩利。合成鱼的游动速度达到了15毫米/秒，这个速度是半机械黄貂鱼的5倍～27倍，该结果显示了反馈机制在生物混合系统开发中的重要性。

“我可以用橡皮泥构建一个模型心脏，但这并不意味着我可以构建一个心脏。”

Parker说道，“你可以在一个培养皿中培养一些随机的肿瘤细胞，但你无法通过设计来概括一个在你的生命周期中跳动超过10亿次的系统的物理特性”。这是挑战，也是该团队接下来要努力去做的事情。（综合整理报道）（编辑/克珂）