干细胞造出自主游泳的“半械鱼”探索人造心脏工作原理

利用人类干细胞培育出人造心脏是解决儿童先天性心脏病的一种具有前景的研究方法。哈佛大学和埃默里/乔治亚理工学院的研究人员在鱼类身上获取灵感，发明出一种半机械的生物混合鱼（hybrid fish），并从中发现了心脏机械电信号自律性机制。

这项研究于2月11日被发表在《科学》杂志上。“我们的最终目标是培育出人造心脏来代替儿童患儿的畸形心脏。”论文的资深作者帕克（Kevin Kit Parker）教授表示， “我们没有使用心脏成像作为蓝本，而是希望确定驱动心脏工作的关键生物物理原理，并以其作为设计标准，将它们复制到生物混合鱼系统中。”

研究论文共同第一作者、生物医学工程师Sung Jin Park告诉第一财经记者，这项研究利用生物混合鱼的发现，回答了现有的生物起搏器存在的一些问题，希望从心脏电生理结构和功能方面，帮助人们了解未来人造心脏工作的关键生物物理原理。

为了学习如何制造人造心脏，研究团队用人类心肌细胞培养了这条生物混合鱼。通过模拟跳动的心脏和心肌的收缩，鱼可以协调身体和尾鳍的运动，在游泳时产生推进力，并持续游动长达108天，相当于心脏跳动3800万次，这是一项史无前例的实验。

Park告诉第一财经记者，有趣的是，生物混合鱼能够自主通过肌肉的拉伸和收缩来游动，是一个极其偶然的发现。一开始，团队使用光遗传学来控制鱼的运动，就像此前在其他鱼身上做的实验。有一天，做完这个实验后，研究人员随手把鱼保存在孵化器里，但完全没有想到的是，几周后当他们打开孵化器时，发现这条鱼竟然在自行游动。

这让团队感到惊奇，他们没有想到机械电的耦合效应会强大到足以驱动鱼的运动。长期以来，人们对机械电信号如何驱动自主节律运动的机制并不清楚，这项研究提供了新的见解。

“这项技术为创建能够进行稳态调节和自适应行为控制的自主系统提供了基础性的研究工作。”该团队表示，“研究结果表明人们有机会重新审视心脏在仿生系统中如何工作的长期假设，并有助于对心血管生理学中的结构-功能关系进行更精细的分析。”

“这篇论文的主要成就是，可以在没有任何外力控制机制的情况下，构建一种可以通过自主控制和自主节律运动的活体心肌。”Park对第一财经记者表示。

Park最早在哈佛大学保尔森工程与应用科学学院帕克（Kit Parker）实验室担任博士后，研究生物混合鱼。 他目前是埃默里/乔治亚理工学院Wallace H. Coulter生物医学工程系的助理教授，并参与多细胞工程生命系统 (M-CELS) 计划。

在哈佛大学生物工程和应用物理学教授Kit Parker的带领下，此前该小组已经从大鼠心脏细胞中开发了生物混合黄貂鱼和水母，但这次的半械鱼游动的时间创下纪录之最，也使其成为研究心脏与机械过程相关活动的绝佳平台，例如作为心律失常（窦房结功能障碍）的研究模型。

Park告诉第一财经记者，希望进一步研究机械电信号作为心律管理的治疗目标，并将最新的研究结果应用于设计“生物起搏器”，生物起搏器未来有望成为目前电子心脏起搏器的潜在替代品。作为长期植入人体的设备，生物起搏器可以植入儿童心脏病患者体内，并逐渐“长大”。

“现在已经有一些关于生物起搏器的技术，但是还没有用应用到人体。原因是现有技术还存在瓶颈。”Park对第一财经记者表示，“我们在最新项目中的发现可以提供一些解决问题的思路。”