虽然我们不知道心脏起搏的确切机制，但我们能否造出“心脏”来复制这一物理过程？一些科学家已经做到了。今天的主角是一条活泼的“鱼”。这条鱼在葡萄糖盐溶液中游来游去，有节奏地左右摆动尾巴。你可能很难相信，这种摆动来自于人体心脏跳动的力量。这是哈佛大学和埃默里大学的科学家开发的“人造鱼”装置。它由活的心肌细胞（由人类干细胞培育而成）组成，可以持续游动100多天。该研究发表在顶级学术期刊《Science》。论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474这种合成鱼的创造是基于人类心脏的两个关键调节特征：（1）心脏在没有意识输入的情况下自发运作（自动（2）机械运动（机械电信号）引发的信息传递。从这项研究中得到的教训可以帮助研究人员更详细地研究心脏病。“这项研究的最终目标是建立人造心脏，以取代儿童畸形的心脏，”哈佛大学生物工程师、论文作者之一凯文·基特·帕克说，制造结构上看起来像心脏的东西相对容易，但制造一个实际功能像心脏的模型却很困难。一个艰巨的挑战。蠕动的鱼形机器人是朝着这个目标迈出的一大步，它建立在之前两项使用老鼠心肌细胞的研究的基础上，一项是建造人造水母，另一项是人造黄貂鱼。“仅仅因为我可以用Play-Doh制作心脏模型并不意味着我可以制作心脏，”帕克说。培养其他细胞相对容易，但不可能通过设计使用它们来概括一个在人类一生中跳动超过10亿次的系统的物理特性。这就是挑战的症结所在。利用人类心脏细胞进行的人造鱼研究，就是为这个问题打开了一个突破口。心脏细胞造出了什么样的“鱼”？先来看看这条人造鱼的构造。在设计方面，一方面，这种鱼有双层肌肉细胞，尾鳍两侧各有一层。当一侧收缩时，另一侧伸展，打开对机械运动敏感的离子通道，导致带电离子流入并在该侧收缩。总的来说，这条鱼在水凝胶纸复合物中由73,000个活的心肌细胞(CM)组成，总长度为14毫米，总质量为25.0毫克，包括0.36毫克的肌肉质量。下图详细展示了这条鱼的五层身体结构。当鳍的一侧缩回时，另一侧伸展，形成一种自我维持的游泳运动。另一方面，研究人员还设计了一个“自主起搏节点”（autonomouspacingnode），他们称之为G节点，就像普通起搏器一样控制自主收缩的频率和节律。两层肌肉和自主起搏器节点一起产生连续、自发和协调的前后鳍运动，驱动这条鱼游了100多天。考虑到合成鱼的自主对抗性肌肉收缩，研究人员探索了这种自主运动是否可以改善其长期表现。结果显示，人造鱼保持自主运动的时间长达108天，相当于跳动了3800万次。相比之下，半机械人黄貂鱼只持续了6天，而基于骨骼肌的合成致动器持续了7天。下图5A是合成鱼的轨迹（网格1cm）；5B为79%拮抗收缩108天合成鱼摆尾角；5C为合成鱼在108天内的游泳性能。配备双层肌肉细胞的合成鱼在第一个月表现出收缩幅度、最大游泳速度和肌肉协调性增加，并保持了108天的表现。这也意味着，与其他生物机器人不同，人造鱼会随着年龄的增长而不断改进。随着心肌细胞的成熟，鱼的肌肉收缩力、最大游泳速度和肌肉协调性都在第一个月得到提高，最终达到与野生斑马鱼相似的速度和效率。具体来说，合成鱼的游泳速度（15.0毫米/秒）超过了以前的生物混合肌肉系统。这个速度是半机械人黄貂鱼的5到27倍，突出了反馈机制在生物混合系统开发中的重要性。而且，当考虑到人造鱼和半机械人黄貂鱼的肌肉质量与总体重的比率时，人造鱼每单位肌肉质量的游动速度比半机械人黄貂鱼快一个数量级，后者是最大值的13倍速度。下图4是不同生物杂交“鱼”与野生鱼的最大游泳速度对比。可以看出，这种合成鱼的最大航速超过了幼年斑马鱼和白茉莉。未来展望“通过利用心脏两层肌肉之间的机械电信号，我们重建了每次收缩自动发生的循环，以响应另一侧的拉伸，”该论文的共同作者、哈佛大学的生物工程师KeelYongLee说。说。“这一结果证明了反馈机制在心脏等肌肉泵中的作用。”研究人员还将类似起搏器的系统集成到生物杂交体中，形成一簇孤立的细胞，可以控制运动的频率和协调性。“多亏了这两种内部起搏机制，我们的鱼才能活得更久，移动得更快，游泳效率更高。佐治亚理工学院和埃默里大学华莱士·H·库尔特生物医学工程系的助理教授Sung-JinPark是该论文的合著者。半机械人、半机械人鱼的组织范围缩小到与它模仿的斑马鱼相当——比纯机械机器人系统更有效地推动自己前进。“与使用心脏组织作为蓝图的研究不同，我们确定了使心脏工作的关键生物物理学原理，将其用作设计标准，并将其复制到一个系统中——一条活的、游动的”鱼。”，这让我们更容易观察我们是否成功。’Sung-JinPark说。伦敦国王学院的MathiasGautel说：“如果这项研究进展顺利，从真实动物的心脏中分离出的原代细胞有可能存活两到四个星期，甚至可以延长到小动物的寿命，这一事实是惊人的。””未来，该团队将利用人类心脏细胞构建更复杂的生物混合设备。
