科學家用幹細胞造出自主遊泳的“半械魚” 探索人造心髒工作原理

利用人類幹細胞培育出人造心髒是解決兒童先天性心髒病的一種具有前景的研究方法。哈佛大學和埃默裡/喬治亞理工學院的研究人員在魚類身上擷取靈感，發明出一種半機械的生物混合魚（hybrid fish），并從中發現了心髒機械電信号自律性機制。

這項研究于2月11日被發表在《科學》雜志上。“我們的最終目标是培育出人造心髒來代替兒童患兒的畸形心髒。”論文的資深作者帕克（Kevin Kit Parker）教授表示， “我們沒有使用心髒成像作為藍本，而是希望确定驅動心髒工作的關鍵生物實體原理，并以其作為設計标準，将它們複制到生物混合魚系統中。”

研究論文共同第一作者、生物醫學工程師Sung Jin Park告訴第一财經記者，這項研究利用生物混合魚的發現，回答了現有的生物起搏器存在的一些問題，希望從心髒電生理結構和功能方面，幫助人們了解未來人造心髒工作的關鍵生物實體原理。

為了學習如何制造人造心髒，研究團隊用人類心肌細胞培養了這條生物混合魚。通過模拟跳動的心髒和心肌的收縮，魚可以協調身體和尾鳍的運動，在遊泳時産生推進力，并持續遊動長達108天，相當于心髒跳動3800萬次，這是一項史無前例的實驗。

Park告訴第一财經記者，有趣的是，生物混合魚能夠自主通過肌肉的拉伸和收縮來遊動，是一個極其偶然的發現。一開始，團隊使用光遺傳學來控制魚的運動，就像此前在其他魚身上做的實驗。有一天，做完這個實驗後，研究人員随手把魚儲存在孵化器裡，但完全沒有想到的是，幾周後當他們打開孵化器時，發現這條魚竟然在自行遊動。

這讓團隊感到驚奇，他們沒有想到機械電的耦合效應會強大到足以驅動魚的運動。長期以來，人們對機械電信号如何驅動自主節律運動的機制并不清楚，這項研究提供了新的見解。

“這項技術為建立能夠進行穩态調節和自适應行為控制的自主系統提供了基礎性的研究工作。”該團隊表示，“研究結果表明人們有機會重新審視心髒在仿生系統中如何工作的長期假設，并有助于對心血管生理學中的結構-功能關系進行更精細的分析。”

“這篇論文的主要成就是，可以在沒有任何外力控制機制的情況下，建構一種可以通過自主要制和自主節律運動的活體心肌。”Park對第一财經記者表示。

Park最早在哈佛大學保爾森工程與應用科學學院帕克（Kit Parker）實驗室擔任博士後，研究所學生物混合魚。 他目前是埃默裡/喬治亞理工學院Wallace H. Coulter生物醫學工程系的助理教授，并參與多細胞工程生命系統 (M-CELS) 計劃。

在哈佛大學生物工程和應用實體學教授Kit Parker的帶領下，此前該小組已經從大鼠心髒細胞中開發了生物混合黃貂魚和水母，但這次的半械魚遊動的時間創下紀錄之最，也使其成為研究心髒與機械過程相關活動的絕佳平台，例如作為心律失常（窦房結功能障礙）的研究模型。

Park告訴第一财經記者，希望進一步研究機械電信号作為心律管理的治療目标，并将最新的研究結果應用于設計“生物起搏器”，生物起搏器未來有望成為目前電子心髒起搏器的潛在替代品。作為長期植入人體的裝置，生物起搏器可以植入兒童心髒病患者體内，并逐漸“長大”。

“現在已經有一些關于生物起搏器的技術，但是還沒有用應用到人體。原因是現有技術還存在瓶頸。”Park對第一财經記者表示，“我們在最新項目中的發現可以提供一些解決問題的思路。”