機器之心報道
機器之心編輯部
人類心髒可以在沒有來自大腦信号的情況下跳動，此屬性是進階動物心髒特有的，其在一組專門的細胞中産生，細胞産生周期性的電振蕩和機械回報，該過程的機制尚不完全清楚。
雖然不知道心髒起搏作用的确切機制，但我們是否可以自建一個「心髒」來複制這種實體過程？有科學家已經做到了。
今天的主角，是一條條活蹦亂跳的「魚」。
這條魚在葡萄糖鹽溶液中四處遊蕩，尾巴有節奏地左右擺動。你可能很難相信，這種擺動來源于人體心髒跳動的力量。
這是由哈佛大學和埃默裡大學的科學家研發的一種「合成魚」裝置，是由活的心肌細胞（由人類幹細胞培育而成）組成的，它可以持續遊動 100 天以上。研究登上了頂級學術期刊《Science》。
論文位址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474
這條合成魚的創造基于人體心髒的兩個關鍵調節特征：(1) 心髒自發發揮作用，無需有意識的輸入（自動性）；(2) 由機械運動（機械電信号）發起的資訊傳遞。
這項研究收獲的經驗有助于研究人員更細緻地研究心髒疾病。論文作者之一、哈佛大學生物工程師 Kevin Kit Parker 說：「研究的最終目标是建造人造心髒來替代兒童畸形心髒。」
建立外觀結構和心髒相似的東西相對容易，而制作實際功能類似心髒的模型則是一個艱巨的挑戰。蠕動的魚型機器人是朝着這一目标邁出的一大步，它建立在之前兩項使用大鼠心肌細胞的研究基礎之上，一個是建構人造水母，另一個是半機械黃貂魚。
「我可以用 Play-Doh 建構一個模型心髒，但這并不意味着我可以建構一個心髒。」Parker 說道。培養其他細胞相對容易，但無法通過設計使用其他細胞來概括一個在人體生命周期中跳動超過 10 億次的系統的實體特性。
這也正是挑戰的關鍵問題所在。此次用人體心髒細胞進行的合成魚研究，就是想打開這個問題的突破口。
用心髒細胞做的「魚」什麼樣？
首先來看這條合成魚的構造。
在設計上，一方面，這條魚有雙層肌細胞，尾鳍兩側各有一層。當一側收縮時，另一側伸展，這使得對機械運動敏感的離子通道打開，導緻帶電離子流入并在該側收縮。
整體而言，該魚是由 73000 個活體心肌細胞（cardio myocyte, CM）組成，水凝膠紙複合體總長為 14 毫米，總品質為 25.0 毫克，包括 0.36 毫克肌肉品質。
下圖詳細展示了這條魚的五層（five-layered）身體結構。當魚鳍一側收縮時，另一側伸展，形成了一個自我維持的遊泳運動。
另一方面，研究者還設計了一個「自主起搏節點」（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奏。兩層肌肉和自主起搏節點一起能夠産生連續、自發和協調的來回鳍運動，進而可以驅動這條魚遊動超過 100 天。
考慮到這條合成魚的自主拮抗肌肉收縮，研究者探究了這種自主運動能夠改善它的長期表現。結果顯示，這條合成魚保持自主運動長達 108 天，相當于跳動了 3800 萬次。與之對比，半機械黃貂魚隻維持了 6 天，基于骨骼肌的合成緻動器維持了 7 天。
下圖 5A 為合成魚的軌迹（網格 1cm）；5B 為具有 79% 拮抗收縮的 108 天合成魚的擺尾角度；5C 為合成魚在 108 天内的遊泳性能。配備雙層肌細胞的合成魚在第一個月表現出收縮幅度增強、最大遊泳速度和肌肉協調性，并将它們的性能維持了 108 天。
這也意味着，和其他生物機器人不同，這條合成魚随着年齡的增長性能還會不斷改進。随着心肌細胞的成熟，魚的肌肉收縮強度、最大遊泳速度和肌肉協調性在第一個月都會提升，最終可以達到與野生斑馬魚相似的速度和效率。
具體而言，合成魚的遊動速度（15.0 mm/s）超過了以往的生物混合肌肉系統。該速度是半機械黃貂魚的 5 至 27 倍，彰顯了回報機制在生物混合系統開發中的重要性。并且，當考慮到合成魚和半機械黃貂魚各自的肌肉品質與身體總重量的比率時，這條合成魚每機關肌肉品質的遊動速度比半機械黃貂魚快了一個數量級，是後者最大速度的 13 倍。
下圖 4 為不同生物混合「魚」和野生魚之間的最大遊動速度比較。可以看到，這條合成魚的最大速度超過了幼年斑馬魚和白摩利等。
未來展望
「通過利用兩層肌肉之間的心髒機械電信号，我們重建了每次收縮自動産生的循環，作為對另一側拉伸的反應」，論文的共同一作、哈佛大學生物工程師 Keel Yong Lee 說道。「該結果展示了回報機制在心髒等肌肉泵中的作用。」
研究者還将一個類似起搏器的系統內建到了生物混合體中，以形成一個能夠控制運動頻率和協調性的孤立細胞簇。
「由于這兩種内部起搏機制，我們的魚可以活得更長、移動得更快、遊泳效率更高。」該論文的共同一作，佐治亞理工學院、埃默裡大學華萊士 ·h· 庫爾特生物醫學工程系助理教授 Sung-Jin Park 說道。
半機械半生物魚的組織範圍收縮與其所模仿的斑馬魚相當——相比純機械機器人系統可以更有效地推動自身前進。
「和以心髒組織作為藍圖的研究不同的是，我們确定了使心髒工作的關鍵生物實體原理，将其用作設計标準，并将它複制到一個系統中——一條活的、遊泳的「魚」，這使得我們可以更容易地觀察我們是否成功了。」Sung-Jin Park 說道。
倫敦國王學院的 Mathias Gautel 說：「如果該研究的進展順利，從動物真實心髒中分離出的原代細胞将可能會存活二至四個星期，甚至可以将其擴充到小型動物整個生命周期的水準，這一事實令人驚歎。」
未來，該團隊将利用人類心髒細胞建構更複雜的生物混合裝置。
參考連結：
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/