哈佛大学和埃默里大学的研究人员合作，利用人类干细胞来源的心肌细胞创造了一种“人造鱼”。这种生物混合装置既包含生物部分，也包含人造部分，通过与心脏跳动机制相同的心肌细胞收缩收缩节律，可以在水中自主游动100天以上。这一成就可能有助于开发由活肌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。相关论文发表于2022年2月10日的《科学》期刊。人工心肌细胞是如何让纸鱼游泳的？人的心脏不需要大脑信号指令就可以自动泵血。这是通过心肌细胞中的电信号和功能性结构反馈来实现的。然而，这一过程并没有被研究人员完全掌握。哈佛大学研究员基特·帕克和他的同事用塑料纸、生物凝胶和两边由人类心肌细胞制成的“鳍”制成了生物合成鱼。以更好地了解心律的物理过程。2012年，研究团队利用大鼠心肌细胞制造了水母形生物复合泵。2016年，研究团队利用大鼠心肌细胞制造出会游泳的人工黄貂鱼。这种生物合成鱼具有对抗性肌肉双层和几何绝缘的心脏组织，其节点包含人类干细胞衍生的心肌细胞。仿真鱼结构示意图及与真鱼游速对比。在生物合成鱼的肌肉双层结构中，心肌细胞层的两侧机械耦合在一起，使得一侧肌肉的收缩可以直接转化为另一侧的收缩。轴向拉伸导致拮抗肌的兴奋和收缩。鱼的身体由五个不同的部分组成。一层是从人体干细胞中提取的心肌组织，一层是用激光制成的硬纸层，接下来是一层动物胶，然后是另一层纸，最后是一层肌肉组织。尾鳍部分是两层心肌细胞连接的地方。鳍一侧的细胞收缩，然后另一侧的细胞扩张，如此循环。这个环允许尾鳍前后摆动，从而推动人造鱼。生物合成鱼一侧的自发激活和收缩可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。这些自发的反收缩使鱼进行有节奏的交替弯曲运动，从而产生向前游动。为了系统地表征肌肉双层的运动学，研究小组通过外部光刺激控制生物合成鱼的拮抗肌肉收缩。人造鱼的肌肉双层受到蓝色和红色LED光脉冲的交替刺激。在红光的刺激下，左侧肌肉组织开始收缩；在蓝光的刺激下，右侧的肌肉组织被诱导收缩，尾巴以近乎笔直的姿势缩回。进步是通过产生有节奏的向前连续推力来实现的。光刺激驱动的实验记录在人造鱼身上重现心律接下来，在测试中，研究人员确定，由人类干细胞衍生的心肌细胞重建的肌肉拮抗性收缩可以通过机电信号维持自发的节律性收缩。研究团队还开发了一种节点人造器官，它模仿窦房结的功能并定期起搏心肌细胞，研究人员将其称为G节点。伦敦国王学院的MathiasGautel说：“这提供了对真实收缩生物结构中心律规律性如何发生的新理解。”在模拟窦房结的G节点和肌肉组织之间建立电连接。因此，生物杂交鱼中的肌肉双层和G节点一起允许它产生调节肌肉对抗的连续节奏，从而导致自发的、协调的身体-尾鳍运动。根据KitParker的说法：“任何人都可以用水泥制作心脏模型。任何人都可以将一堆肿瘤细胞倒入培养皿中，直到细胞簇复制并长成一个自搏动的肿瘤块，这被称为假性肿瘤。瘤。”心脏生物。这些行为都无法真正重现一个器官的基本生态物理学，该器官可以在一生中自我跳动数十亿次并同步修复细胞。这才是真正的难点，也是我们研究的重点。”实验人造鱼游了108天，进行了相当于3800次心跳的自动动作，游得比同等大小的真鱼还快。游泳天数和细胞活动记录伦敦国王学院的马蒂亚斯·高特尔说：“如果一切顺利，通常从活体动物心脏中取出的主要细胞可以在体外存活两到四个星期。哈佛团队能够延长这个时间几乎同时。小动物的生命周期一样长，这个结果很惊人。“实验对象被放在保温箱里，然后……算了。”然而，这个实验的成功还有其他有趣的因素。“基本上我们把这些鱼放在孵化场，然后两三个星期我们就忘了它，”Sung-JinPark说。他之前是哈佛大学疾病生物物理学组的博士后研究员。他还是人造鱼论文的合著者。“我们打开舱门，发现鱼儿在游来游去。”但KitParker最接近的目标是不被抓到。“我不是在开玩笑。上一次我们研究人造生物复合材料时，波士顿司法部的官员开始调查我们是否滥用了NIH拨款。”后来负责该项目的三位NIH官员发表了一篇讨论该研究的科学成果的论文，结束了这项调查。“如果你的工作方法太过创新，可能不是每个人都能接受的。但非常规的研究路径和疯狂的胡说八道还是有区别的。我认为人们现在开始意识到这种差异。“所以第一要务是不要落入圈套，然后才能继续做科研，我们的长远目标是拯救那些有心脏病的孩子。”基特·帕克说。未来的目标和应用帕克说：“我们的最终目标是创造一个活的人造心脏，它实际上可以替代儿童患者有缺陷的心脏。当其他人试图在体外创造人类心脏用于再生医学研究时，他们总是想要这个目标是完美复制心脏的解剖结构，或者是复制体外催化的心肌组织的简单跳动。但我们团队的设计主题是重现心脏工作的生物物理规律，难度要大得多。以心脏结构为蓝本很简单我们需要确定心跳的生物物理学基础，将其作为设计的主要指标，然后将其做成一条易于观察的活鱼。”了解这些控制心脏泵血的规则可以更好地治疗心脏病患者。含有心肌细胞的合成鱼确实让研究人员对心脏功能有了更好的了解。过去的科学家一直认为，当人的心脏在节拍之间处于舒张期时，血液被动地充满心室。合成鱼收缩和收缩的记录表明该过程可能更加活跃。帕克表示，该团队现在正寻求将这一成果应用于人造心脏的研发，“寻求将这项研究的成果应用于小儿心脏病和再生医学等领域的扩展，我们希望开发出下一个生物复合材料设备。””朴说，将来他想把这些人造动物送上太空。他认为这是研究微重力引起的肌肉萎缩的好方法。它还可以研究肌肉组织如何在太空失重环境中变弱。宇航员都熟悉在太空中度过太多时间后肌肉流失的情况。帕克说，也许他们也可以应用这里的发现来研究衰老如何导致肌肉萎缩。也有人开始将上述研究成果应用于自己的研究领域。波士顿儿童医院的心脏病专家WilliamPoole正在与Parker的团队合作，研究如何对组织芯片进行临床测试。这些微组织芯片就像微小的活体心脏组织，可以在不对组织来源供体造成伤害的情况下促进实验和研究。从2021年开始，Parker和Poole将使用试验数据在实验室模拟儿童心脏病，试验药物干预、起搏器插入和其他维持生命的干预措施。期待已久的人工心脏移植到人体的目标正在稳步实现。
