有這樣一種“魚”，它們用人類心臟跳動的方式遊動。
美國研究人員利用人類幹細胞分化出的心肌細胞，研發出了首個全自動生物雜交魚。這種人工魚透過重現心臟跳動時肌肉收縮的方式遊動。這使研究人員離開發更復雜的人工肌肉泵又近了一步，同時為研究心律失常等心臟疾病提供了一個平臺。相關研究近日發表於《科學》。
“我們的最終目標是建造一個人工心臟來替代兒童畸形的心臟。”哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）教授、論文通訊作者Kit Parker說。
Parker指出，包括他們此前已完成的工作在內，大多數構建心臟組織或心臟的工作都集中在複製心臟解剖特徵或在工程組織中複製心臟的簡單跳動。“而此次，我們嘗試從心臟生物物理學中汲取設計靈感，當然這做起來會更難。我們正在確定使心臟工作的關鍵生物物理原理，將其作為設計標準，並在一個系統中進行復制再現。”
早在2012年，Parker的疾病生物物理學小組就利用大鼠心肌細胞構建了一個類似水母的生物雜交泵。2016年，他們又利用大鼠心肌細胞研發出一種能夠遊動的人工黃貂魚。
在上述研究的基礎上，該團隊構建了第一個由人類幹細胞分化的心肌細胞製成的自主生物雜交裝置。該裝置的設計靈感來自斑馬魚的形狀和遊動方式。
與此前構建的裝置不同，這種生物雜交斑馬魚有雙層肌肉細胞，尾鰭兩側各一層。當一側收縮時，另一側伸展，而伸展動作會觸發一種機械敏感性蛋白質通道的開放，從而導致收縮，接著又會觸發拉伸，由此形成一個閉環系統，支撐生物雜交魚遊動超過100天。
“利用雙層肌肉間的心臟機械電訊號，我們重新創造了一個迴圈——作為對一側肌肉細胞拉伸的反應，每一次另一側都會自動收縮。”SEAS博士後、論文共同第一作者Keel Yong Lee說，該研究結果突出了反饋機制在心臟等肌肉泵中的作用。
此外，研究人員還設計了一個像起搏器一樣的自主起搏節點，控制肌肉細胞自發收縮的頻率和節奏。雙層肌肉細胞和自主起搏節點共同促成了生物雜交魚連續、自發、協調的前後鰭運動。
這種生物雜交魚會隨著年齡的增長而愈發完美。因為心肌細胞的成熟，會使其肌肉收縮幅度、最大遊動速度和肌肉協調性在第一個月均有所增加。最終，這種生物雜交魚達到了與野生斑馬魚相似的遊動速度和效果。
“透過採用上述兩種內部起搏機制，我們的生物雜交魚比以前研究構建的魚活得更長、移動速度更快，遊動效率也更高。”研究小組成員、論文共同第一作者Sung-Jin Park說，該研究為研究機械電訊號作為心律管理的治療靶點，以及竇房結功能障礙和心律失常等病理生理學研究提供了一個新模型。
下一步，該團隊計劃用人類心臟細胞構建更加複雜的生物雜交系統。（徐銳）
來源： 中國科學報
