用人类心脏细胞造机器鱼，游泳速度竟比真鱼还快

人类心脏可以在没有来自大脑信号的情况下跳动，此属性是高级动物心脏特有的，其在一组专门的细胞中产生，细胞产生周期性的电振荡和机械反馈，该过程的机制尚不完全清楚。

虽然不知道心脏起搏作用的确切机制，但我们是否可以自建一个「心脏」来复制这种物理过程？有科学家已经做到了。
今天的主角，是一条条活蹦乱跳的「鱼」。


这条鱼在葡萄糖盐溶液中四处游荡，尾巴有节奏地左右摆动。你可能很难相信，这种摆动来源于人体心脏跳动的力量。
这是由哈佛大学和埃默里大学的科学家研发的一种「合成鱼」装置，是由活的心肌细胞（由人类干细胞培育而成）组成的，它可以持续游动 100 天以上。研究登上了顶级学术期刊《Science》。

这条合成鱼的创造基于人体心脏的两个关键调节特征：(1) 心脏自发发挥作用，无需有意识的输入（自动性）；(2) 由机械运动（机械电信号）发起的信息传递。
这项研究收获的经验有助于研究人员更细致地研究心脏疾病。论文作者之一、哈佛大学生物工程师 Kevin Kit Parker 说：「研究的最终目标是建造人造心脏来替代儿童畸形心脏。」
创建外观结构和心脏相似的东西相对容易，而制作实际功能类似心脏的模型则是一个艰巨的挑战。蠕动的鱼型机器人是朝着这一目标迈出的一大步，它建立在之前两项使用大鼠心肌细胞的研究基础之上，一个是构建人造水母，另一个是半机械黄貂鱼。
「我可以用 Play-Doh 构建一个模型心脏，但这并不意味着我可以构建一个心脏。」Parker 说道。培养其他细胞相对容易，但无法通过设计使用其他细胞来概括一个在人体生命周期中跳动超过 10 亿次的系统的物理特性。
这也正是挑战的关键问题所在。此次用人体心脏细胞进行的合成鱼研究，就是想打开这个问题的突破口。

用心脏细胞做的「鱼」什么样？

首先来看这条合成鱼的构造。
在设计上，一方面，这条鱼有双层肌细胞，尾鳍两侧各有一层。当一侧收缩时，另一侧伸展，这使得对机械运动敏感的离子通道打开，导致带电离子流入并在该侧收缩。
整体而言，该鱼是由 73000 个活体心肌细胞（cardio myocyte, CM）组成，水凝胶纸复合体总长为 14 毫米，总质量为 25.0 毫克，包括 0.36 毫克肌肉质量。

下图详细展示了这条鱼的五层（five-layered）身体结构。当鱼鳍一侧收缩时，另一侧伸展，形成了一个自我维持的游泳运动。
另一方面，研究者还设计了一个「自主起搏节点」（autonomous pacing node），他们称为 G-node，它就像普通的起搏器一样，控制自主收缩的频率和节奏。两层肌肉和自主起搏节点一起能够产生连续、自发和协调的来回鳍运动，从而可以驱动这条鱼游动超过 100 天。

考虑到这条合成鱼的自主拮抗肌肉收缩，研究者探究了这种自主运动能够改善它的长期表现。结果显示，这条合成鱼保持自主运动长达 108 天，相当于跳动了 3800 万次。与之对比，半机械黄貂鱼只维持了 6 天，基于骨骼肌的合成致动器维持了 7 天。
下图 5A 为合成鱼的轨迹（网格 1cm）；5B 为具有 79% 拮抗收缩的 108 天合成鱼的摆尾角度；5C 为合成鱼在 108 天内的游泳性能。配备双层肌细胞的合成鱼在第一个月表现出收缩幅度增强、最大游泳速度和肌肉协调性，并将它们的性能维持了 108 天。

这也意味着，和其他生物机器人不同，这条合成鱼随着年龄的增长性能还会不断改进。随着心肌细胞的成熟，鱼的肌肉收缩强度、最大游泳速度和肌肉协调性在第一个月都会提升，最终可以达到与野生斑马鱼相似的速度和效率。
具体而言，合成鱼的游动速度（15.0 mm/s）超过了以往的生物混合肌肉系统。该速度是半机械黄貂鱼的 5 至 27 倍，彰显了反馈机制在生物混合系统开发中的重要性。并且，当考虑到合成鱼和半机械黄貂鱼各自的肌肉质量与身体总重量的比率时，这条合成鱼每单位肌肉质量的游动速度比半机械黄貂鱼快了一个数量级，是后者最大速度的 13 倍。
下图 4 为不同生物混合「鱼」和野生鱼之间的最大游动速度比较。可以看到，这条合成鱼的最大速度超过了幼年斑马鱼和白摩利等。

未来展望

「通过利用两层肌肉之间的心脏机械电信号，我们重建了每次收缩自动产生的循环，作为对另一侧拉伸的反应」，论文的共同一作、哈佛大学生物工程师 Keel Yong Lee 说道。「该结果展示了反馈机制在心脏等肌肉泵中的作用。」
研究者还将一个类似起搏器的系统集成到了生物混合体中，以形成一个能够控制运动频率和协调性的孤立细胞簇。
「由于这两种内部起搏机制，我们的鱼可以活得更长、移动得更快、游泳效率更高。」该论文的共同一作，佐治亚理工学院、埃默里大学华莱士 ·h· 库尔特生物医学工程系助理教授 Sung-Jin Park 说道。
半机械半生物鱼的组织范围收缩与其所模仿的斑马鱼相当——相比纯机械机器人系统可以更有效地推动自身前进。
「和以心脏组织作为蓝图的研究不同的是，我们确定了使心脏工作的关键生物物理原理，将其用作设计标准，并将它复制到一个系统中——一条活的、游泳的「鱼」，这使得我们可以更容易地观察我们是否成功了。」Sung-Jin Park 说道。

新闻来源：电子工程世界，文中所述为作者独立观点，不代表icspec立场。更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议，请联系微信客服specltkj。