人類心臟可以在沒(méi)有來(lái)自大腦信號(hào)的情況下跳動(dòng)，此屬性是高級(jí)動(dòng)物心臟特有的，其在一組專門的細(xì)胞中產(chǎn)生，細(xì)胞產(chǎn)生周期性的電振蕩和機(jī)械反饋，該過(guò)程的機(jī)制尚不完全清楚。

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(gè)「心臟」來(lái)復(fù)制這種物理過(guò)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(yú)」。

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這條魚(yú)在葡萄糖鹽溶液中四處游蕩，尾巴有節(jié)奏地左右擺動(dòng)。你可能很難相信，這種擺動(dòng)來(lái)源于人體心臟跳動(dòng)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(yú)」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(dòng) 100 天以上。研究登上了頂級(jí)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(yú)的創(chuàng)造基于人體心臟的兩個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)特征：(1) 心臟自發(fā)發(fā)揮作用，無(wú)需有意識(shí)的輸入（自動(dòng)性）；(2) 由機(jī)械運(yùn)動(dòng)（機(jī)械電信號(hào)）發(fā)起的信息傳遞。

這項(xiàng)研究收獲的經(jīng)驗(yàn)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(shuō)：「研究的最終目標(biāo)是建造人造心臟來(lái)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(duì)容易，而制作實(shí)際功能類似心臟的模型則是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。蠕動(dòng)的魚(yú)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(xiàng)使用大鼠心肌細(xì)胞的研究基礎(chǔ)之上，一個(gè)是構(gòu)建人造水母，另一個(gè)是半機(jī)械黃貂魚(yú)。

「我可以用 Play-Doh 構(gòu)建一個(gè)模型心臟，但這并不意味著我可以構(gòu)建一個(gè)心臟。」Parker 說(shuō)道。培養(yǎng)其他細(xì)胞相對(duì)容易，但無(wú)法通過(guò)設(shè)計(jì)使用其他細(xì)胞來(lái)概括一個(gè)在人體生命周期中跳動(dòng)超過(guò) 10 億次的系統(tǒng)的物理特性。

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

用心臟細(xì)胞做的「魚(yú)」什么樣？

首先來(lái)看這條合成魚(yú)的構(gòu)造。

在設(shè)計(jì)上，一方面， 這條魚(yú)有雙層肌細(xì)胞，尾鰭兩側(cè)各有一層。當(dāng)一側(cè)收縮時(shí)，另一側(cè)伸展，這使得對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)敏感的離子通道打開(kāi)，導(dǎo)致帶電離子流入并在該側(cè)收縮。

整體而言，該魚(yú)是由 73000 個(gè)活體心肌細(xì)胞（cardio myocyte, CM）組成，水凝膠紙復(fù)合體總長(zhǎng)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(yú)的五層（five-layered）身體結(jié)構(gòu)。當(dāng)魚(yú)鰭一側(cè)收縮時(shí)，另一側(cè)伸展，形成了一個(gè)自我維持的游泳運(yùn)動(dòng)。

另一方面， 研究者還設(shè)計(jì)了一個(gè)「自主起搏節(jié)點(diǎn)」（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(diǎn)一起能夠產(chǎn)生連續(xù)、自發(fā)和協(xié)調(diào)的來(lái)回鰭運(yùn)動(dòng)，從而可以驅(qū)動(dòng)這條魚(yú)游動(dòng)超過(guò) 100 天。

考慮到這條合成魚(yú)的自主拮抗肌肉收縮，研究者探究了這種自主運(yùn)動(dòng)能夠改善它的長(zhǎng)期表現(xiàn)。結(jié)果顯示， 這條合成魚(yú)保持自主運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)達(dá) 108 天，相當(dāng)于跳動(dòng)了 3800 萬(wàn)次。與之對(duì)比，半機(jī)械黃貂魚(yú)只維持了 6 天，基于骨骼肌的合成致動(dòng)器維持了 7 天。

下圖 5A 為合成魚(yú)的軌跡（網(wǎng)格 1cm）；5B 為具有 79% 拮抗收縮的 108 天合成魚(yú)的擺尾角度；5C 為合成魚(yú)在 108 天內(nèi)的游泳性能。配備雙層肌細(xì)胞的合成魚(yú)在第一個(gè)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(yú)隨著年齡的增長(zhǎng)性能還會(huì)不斷改進(jìn)。隨著心肌細(xì)胞的成熟，魚(yú)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(gè)月都會(huì)提升，最終可以達(dá)到與野生斑馬魚(yú)相似的速度和效率。

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

下圖 4 為不同生物混合「魚(yú)」和野生魚(yú)之間的最大游動(dòng)速度比較?？梢钥吹?， 這條合成魚(yú)的最大速度超過(guò)了幼年斑馬魚(yú)和白摩利等。

未來(lái)展望

「通過(guò)利用兩層肌肉之間的心臟機(jī)械電信號(hào)，我們重建了每次收縮自動(dòng)產(chǎn)生的循環(huán)，作為對(duì)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(shuō)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(gè)類似起搏器的系統(tǒng)集成到了生物混合體中，以形成一個(gè)能夠控制運(yùn)動(dòng)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(yú)可以活得更長(zhǎng)、移動(dòng)得更快、游泳效率更高?！乖撜撐牡墓餐蛔?，佐治亞理工學(xué)院、埃默里大學(xué)華萊士 ·h· 庫(kù)爾特生物醫(yī)學(xué)工程系助理教授 Sung-Jin Park 說(shuō)道。

半機(jī)械半生物魚(yú)的組織范圍收縮與其所模仿的斑馬魚(yú)相當(dāng)——相比純機(jī)械機(jī)器人系統(tǒng)可以更有效地推動(dòng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并將它復(fù)制到一個(gè)系統(tǒng)中——一條活的、游泳的「魚(yú)」，這使得我們可以更容易地觀察我們是否成功了?！筍ung-Jin Park 說(shuō)道。

倫敦國(guó)王學(xué)院的 Mathias Gautel 說(shuō)：「如果該研究的進(jìn)展順利，從動(dòng)物真實(shí)心臟中分離出的原代細(xì)胞將可能會(huì)存活二至四個(gè)星期，甚至可以將其擴(kuò)展到小型動(dòng)物整個(gè)生命周期的水平，這一事實(shí)令人驚嘆?！?/p>

未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)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。

參考鏈接：

https://bme.gatech.edu/bme/news/researchers-create-biohybrid-fish-powered-human-heart-cells

https://www.sciencealert.com/watch-this-biohybrid-fish-swim-to-the-rhythm-of-its-living-human-heart-cells

https://www.newscientist.com/article/2307975-robofish-powered-by-human-cardiac-cells-gives-fresh-insight-into-heart/

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“機(jī)器之心”（ID:almosthuman2014），36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。