科技日報實習(xí)記者 張佳欣
美國哈佛大學(xué)與埃默里大學(xué)研究人員合作，利用人類干細胞來源的心肌細胞制造出一種完全自主的“人造魚”。這種生物混合裝置同時包含生物和人工部分，能通過心肌收縮，在水中游泳超過100天。這一成果有助于開發(fā)由活肌肉細胞制成的人造心臟，并為研究心律失常等心臟病提供平臺。相關(guān)論文10日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
自主游泳的人造魚的示意圖。
圖片來源：Eurekalert網(wǎng)站相關(guān)報道
心臟具有兩個功能性調(diào)節(jié)特征：機械電信號和自動性，研究人員將其轉(zhuǎn)移到人造斑馬魚裝置內(nèi)。該裝置的靈感來自于斑馬魚的形狀和游泳動作。人造斑馬魚有兩層肌肉細胞，尾鰭兩邊各有一層。研究人員利用外部光基因刺激控制其肌肉收縮，使它像魚一樣游泳。當(dāng)一方收縮時，另一方就會伸展。這種伸展會觸發(fā)機械敏感蛋白通道打開，從而導(dǎo)致收縮，進而引發(fā)伸展，以此類推，形成一個閉合的循環(huán)系統(tǒng)，可以推動它自主游泳108天。
研究人員說：“通過兩層肌肉之間的心臟機械電信號，我們重建了每次收縮都會自動循環(huán)的系統(tǒng)。”研究結(jié)果突出了反饋機制在心臟等肌肉泵中的作用。
研究人員還設(shè)計了一個自主起搏節(jié)點，就像起搏器一樣，控制自發(fā)收縮的頻率和節(jié)奏。人造魚的兩層肌肉和自主起搏節(jié)點結(jié)合在一起，能夠產(chǎn)生連續(xù)的、自發(fā)的、協(xié)調(diào)的鰭擺動。
研究論文第一作者、前海洋疾病生物物理學(xué)小組博士后樸成進（音譯）說：“因為有了兩種內(nèi)部起搏機制，我們的魚比以前的活得更長，移動得更快，游泳效率更高。”這一創(chuàng)新為研究心律電信號提供了模型，也為了解竇房結(jié)功能障礙和心律失常的病理生理學(xué)提供了模型。
這種人造魚的“體能”會隨其“年齡”增加而改善。它的肌肉收縮幅度、最大游泳速度和肌肉協(xié)調(diào)性在第一個月都隨著心肌細胞的成熟而提高。最終，人造斑馬魚可達到與野生斑馬魚相似的速度和游泳效率。
論文資深作者、哈佛大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授基特·帕克說：“我們的最終目標是建造一顆能夠代替兒童畸形心臟的人造心臟。”
該團隊開發(fā)的人造魚建立在之前研究的基礎(chǔ)上。2012年，帕克實驗室使用小鼠的心肌細胞制成人造水母，2016年，他們還用小鼠心肌細胞開發(fā)了一種會游泳的人造黃貂魚。下一步，該團隊的目標是用人類心臟細胞制造更復(fù)雜的生物混合裝置。
總編輯圈點：
這項研究中的“人造魚”，是利用人類干細胞來源的心肌細胞制造出來的，可謂是人類干細胞研究的成果之一。什么是干細胞？作為一類具有自我復(fù)制和分化能力的多潛能細胞，干細胞在一定條件下能夠多向分化為組織細胞，這可是普通細胞所不具備的“特異功能”。利用這種特質(zhì)，干細胞在研發(fā)人造器官、治療遺傳性疾病甚至抗擊傳染病疫情等方面，都展示出無與倫比的潛力。
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