机器鱼游得比真鱼还快！人体心肌细胞捏的纸片

作者：张馨予

　　美国哈佛大学与埃默里大学研究人员合作，利用人类干细胞来源的心肌细胞制造出一种「人造鱼」。

　　这种生物混合装置同时包含生物和人工部分，能通过与心脏搏动机理相同的心肌细胞缩张律动，在水中自主游动超过100天。这一成果有助于开发由活性肌肉细胞制成的人造心脏，并为研究心律失常等心脏病提供平台。

　　相关论文2022年2月10日发表在《科学》杂志上。

　　人造心肌细胞如何让纸鱼游动

　　人类心脏在不需大脑信号指令时就能自动泵血，这是靠心肌细胞内的电信号与机能结构性反馈完成的。不过此过程并非完全被研究者掌握

　　哈佛大学的研究者Kit Parker与他的同事们，用塑料纸、生物凝胶、和两面由人类心肌细胞构成的「鳍」做出了生物性合成鱼，藉此来更好理解心肌律动的物理过程。

　　2012年，该研究团队曾用大鼠心肌细胞制造了水母形状的生物复合泵。2016年，该研究团队又用大鼠心肌细胞制造了能游动的人造魟鱼。

　　这种生物性合成鱼具有拮抗的肌肉双层和几何绝缘的心脏组织，节点包含人类干细胞来源的心肌细胞。

人造鱼的结构示意、与真鱼的游速比较

　　在生物性合成鱼的肌肉双层结构中，心肌细胞层的两侧机械被耦合在一起，使一侧肌肉的收缩可以直接转化为对侧肌肉的轴向拉伸，导致拮抗肌肉的兴奋和收缩。

　　鱼的躯体由五个不同的部分组成。一层是从人类干细胞中提取的心肌组织，一层是用激光做的硬纸层，接下来是一层动物胶，然后又是一层纸，最后是一层肌肉组织。

　　鱼尾鳍的部分是两层心肌细胞耦合处。鳍一侧的细胞收缩，那么另一侧的细胞就会扩张，循环往复。这个循环使得尾鳍可以前后摆动，以此推动人造鱼。

　　生物性合成鱼一侧的自发激活和收缩，可以通过肌肉组织之间的机械耦合，导致另一侧随后的拮抗收缩。

　　这些自发的对抗收缩导致鱼有节奏地进行交替弯曲运动，产生向前的游动。

　　为了系统地呈现肌肉双分子层的运动学特征，研究团队通过外部光刺激控制生物性合成鱼的拮抗肌肉收缩。

　　人造鱼的肌肉双分子层被蓝色和红色发光二极管光脉冲交替刺激。在红光刺激下，左侧肌肉组织开始收缩；在蓝光的刺激下，右肌肉组织被诱导收缩，尾巴以近乎笔直的姿势缩回。产生有节奏地向前连续推力来实现前进。

光刺激驱动实验记录

　　在人造鱼上复现心律

　　接下来，研究者在测试中，确定了由人类干细胞来源的心肌细胞重建的肌肉拮抗收缩，能通过机械电子信号维持自发的节律性收缩。

　　研究团队还开发了能模仿窦房结功能、对心肌细胞进行规律性起搏的节点性人造器官，研究者称之为G节点。伦敦国王学院的Mathias Gautel称：「这让学界对心率规律在真实收缩性生物结构上如何发生有了全新认知。」

　　为了复制窦房结的电绝缘结构，研究人员通过一个灌电流离子通道在模拟窦房结的G节点和肌肉组织之间建立了一个电连接。

　　因此，生物杂交鱼的肌肉双分子层和G节点共同使其产生一种连续的节律来调节肌肉的拮抗作用，从而产生自发的、协调的身体尾鳍运动。

　　按Kit Parker的说法：「谁都能用胶泥塑造出心脏模型。任何人也都能在培养皿里倒上一堆肿瘤细胞，直到细胞群复制生长成自我搏动的瘤块，然后称之为类心脏有机体。这些行为都不能真正复现一个在人的一生中能自我搏动数十亿次而且自行同步修复细胞的器官基础生态物理。这才是真正的难点，这也是我们的研究重心。」

　　实验用合成鱼游了108天、进行相当于3800次心脏律动的自动动作，而且游速比同等大小的真实鱼类更快。