干細(xì)胞造出自主游泳的“半械魚”探索人造心臟工作原理

利用人類干細(xì)胞培育出人造心臟是解決兒童先天性心臟病的一種具有前景的研究方法。哈佛大學(xué)和埃默里/喬治亞理工學(xué)院的研究人員在魚類身上獲取靈感，發(fā)明出一種半機(jī)械的生物混合魚（hybrid fish），并從中發(fā)現(xiàn)了心臟機(jī)械電信號(hào)自律性機(jī)制。

這項(xiàng)研究于2月11日被發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。“我們的最終目標(biāo)是培育出人造心臟來(lái)代替兒童患兒的畸形心臟?！闭撐牡馁Y深作者帕克（Kevin Kit Parker）教授表示， “我們沒(méi)有使用心臟成像作為藍(lán)本，而是希望確定驅(qū)動(dòng)心臟工作的關(guān)鍵生物物理原理，并以其作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將它們復(fù)制到生物混合魚系統(tǒng)中。”

研究論文共同第一作者、生物醫(yī)學(xué)工程師Sung Jin Park告訴第一財(cái)經(jīng)記者，這項(xiàng)研究利用生物混合魚的發(fā)現(xiàn)，回答了現(xiàn)有的生物起搏器存在的一些問(wèn)題，希望從心臟電生理結(jié)構(gòu)和功能方面，幫助人們了解未來(lái)人造心臟工作的關(guān)鍵生物物理原理。

為了學(xué)習(xí)如何制造人造心臟，研究團(tuán)隊(duì)用人類心肌細(xì)胞培養(yǎng)了這條生物混合魚。通過(guò)模擬跳動(dòng)的心臟和心肌的收縮，魚可以協(xié)調(diào)身體和尾鰭的運(yùn)動(dòng)，在游泳時(shí)產(chǎn)生推進(jìn)力，并持續(xù)游動(dòng)長(zhǎng)達(dá)108天，相當(dāng)于心臟跳動(dòng)3800萬(wàn)次，這是一項(xiàng)史無(wú)前例的實(shí)驗(yàn)。

Park告訴第一財(cái)經(jīng)記者，有趣的是，生物混合魚能夠自主通過(guò)肌肉的拉伸和收縮來(lái)游動(dòng)，是一個(gè)極其偶然的發(fā)現(xiàn)。一開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)使用光遺傳學(xué)來(lái)控制魚的運(yùn)動(dòng)，就像此前在其他魚身上做的實(shí)驗(yàn)。有一天，做完這個(gè)實(shí)驗(yàn)后，研究人員隨手把魚保存在孵化器里，但完全沒(méi)有想到的是，幾周后當(dāng)他們打開(kāi)孵化器時(shí)，發(fā)現(xiàn)這條魚竟然在自行游動(dòng)。

這讓團(tuán)隊(duì)感到驚奇，他們沒(méi)有想到機(jī)械電的耦合效應(yīng)會(huì)強(qiáng)大到足以驅(qū)動(dòng)魚的運(yùn)動(dòng)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)機(jī)械電信號(hào)如何驅(qū)動(dòng)自主節(jié)律運(yùn)動(dòng)的機(jī)制并不清楚，這項(xiàng)研究提供了新的見(jiàn)解。

“這項(xiàng)技術(shù)為創(chuàng)建能夠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和自適應(yīng)行為控制的自主系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)性的研究工作?！痹搱F(tuán)隊(duì)表示，“研究結(jié)果表明人們有機(jī)會(huì)重新審視心臟在仿生系統(tǒng)中如何工作的長(zhǎng)期假設(shè)，并有助于對(duì)心血管生理學(xué)中的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系進(jìn)行更精細(xì)的分析。”

“這篇論文的主要成就是，可以在沒(méi)有任何外力控制機(jī)制的情況下，構(gòu)建一種可以通過(guò)自主控制和自主節(jié)律運(yùn)動(dòng)的活體心肌?！盤ark對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示。

Park最早在哈佛大學(xué)保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院帕克（Kit Parker）實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后，研究生物混合魚。 他目前是埃默里/喬治亞理工學(xué)院Wallace H. Coulter生物醫(yī)學(xué)工程系的助理教授，并參與多細(xì)胞工程生命系統(tǒng) (M-CELS) 計(jì)劃。

在哈佛大學(xué)生物工程和應(yīng)用物理學(xué)教授Kit Parker的帶領(lǐng)下，此前該小組已經(jīng)從大鼠心臟細(xì)胞中開(kāi)發(fā)了生物混合黃貂魚和水母，但這次的半械魚游動(dòng)的時(shí)間創(chuàng)下紀(jì)錄之最，也使其成為研究心臟與機(jī)械過(guò)程相關(guān)活動(dòng)的絕佳平臺(tái)，例如作為心律失常（竇房結(jié)功能障礙）的研究模型。

Park告訴第一財(cái)經(jīng)記者，希望進(jìn)一步研究機(jī)械電信號(hào)作為心律管理的治療目標(biāo)，并將最新的研究結(jié)果應(yīng)用于設(shè)計(jì)“生物起搏器”，生物起搏器未來(lái)有望成為目前電子心臟起搏器的潛在替代品。作為長(zhǎng)期植入人體的設(shè)備，生物起搏器可以植入兒童心臟病患者體內(nèi)，并逐漸“長(zhǎng)大”。

“現(xiàn)在已經(jīng)有一些關(guān)于生物起搏器的技術(shù)，但是還沒(méi)有用應(yīng)用到人體。原因是現(xiàn)有技術(shù)還存在瓶頸?！盤ark對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，“我們?cè)谧钚马?xiàng)目中的發(fā)現(xiàn)可以提供一些解決問(wèn)題的思路。”