心脏是人体器官中最重要的组成部分。从人类出生的那一刻起，心脏就在不断地跳动，与此同时，心肌细胞也在不断地“运动”，就像一个“肌肉泵”，通过泵送动作向全身输送血液。

近日，来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) Kevin Kit Parker带领的研究团队从生物物理学中获得设计灵感，从人类干细胞衍生的心肌细胞中开发出第一条完全自主的生物杂交鱼。这种人造鱼可以通过重建心脏跳动的肌肉收缩来游泳，不仅可以游泳100多天，而且速度还可媲美真实的鱼！

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该工作是生物科技领域的重大突破，不仅使科学家们朝开发更复杂的人造心脏更近了一步，还为研究心律失常等心脏病提供了一个良好的平台。研究成果以题为“An autonomously swimming biohybrid fish designed with human cardiac biophysics”，发表在Science上。论文的通讯作者为哈佛大学SEAS生物医学工程系助理教授Kevin Kit Parker。

其实，研究团队开发的这个生物杂交机器鱼建立在以前的研究基础上。早在2012年和2016年，Kevin Kit Parker教授便带领团队利用老鼠的心肌细胞分别制造了一种类似水母的生物混合泵和会游泳的人造黄貂鱼。

图1. 研究团队制作的人造水母（2012年）和人造黄貂鱼（2016年）

心肌细胞+塑料+纸+明胶=生物杂交人造鱼，游泳速度媲美野生斑马鱼！

在这项研究中，Kevin Kit Parker教授团队从斑马鱼的形状和游泳动作中获得灵感，从干细胞中提取了两条人类心肌细胞，并将其与塑料、纸、和明胶制成了一条生物杂交斑马鱼。这是第一个由人类干细胞衍生的心肌细胞制成的自主生物混合装置，通过利用人类心肌细胞推动它们在水中航行。

图2. 生物杂交人造鱼的制作

该生物杂交斑马鱼有两层心肌细胞，尾鳍两侧各有一层。当一侧挤压时，另一侧被拉伸，触发反馈机制，导致拉伸侧收缩，然后在持续循环中触发另一侧的相同机制。这种异步肌肉收缩系统基于昆虫飞行肌肉。

图3. 生物杂交人造鱼的工作机制

也就是，拉伸会触发机械敏感蛋白通道的打开，从而导致收缩，形成自主运动的拉伸-收缩循环。通过利用两层肌肉之间的心脏机械电信号，研究团队重新创建了每次收缩自动产生的循环，作为对另一侧拉伸的反应，类似于反馈机制在心脏等肌肉泵中的作用。

此外，研究人员还设计了一个自主起搏节点，如起搏器，它控制这些自发收缩的频率和节奏。正是两层心肌细胞和自主起搏节点共同实现了人造鱼的连续、自发和协调的来回鳍运动。

从合成鱼到治愈心灵

不难发现，上述生物杂交人造鱼继承了心脏的两个关键特征：自发作用，无需有意识的输入(自动性)；和由机械运动(机械电信号)发起的消息传递。

下一步，该团队的目标是利用人类心脏细胞构建更复杂的生物混合设备。Kevin Kit Parker 表示：“我们的最终目标是研制人造心脏来替代儿童的畸形心脏。” 看起来很简单，但要制作出真正具备心脏功能的设备仍然是一项严峻的挑战。

“我可以用 Play-Doh 制作心脏模型，但这并不意味着我可以制作心脏。”Parker 解释道，“你可以在培养皿里培养一些随机的肿瘤细胞，直到它们凝结成一个跳动的肿块，并称之为心脏类器官。这些努力都不能通过设计来涵盖一个在你的生命周期中跳动超过10亿次的系统的物理特性。这就是挑战。这就是我们面对的问题。”

参考文献：

Kevin Kit Parker, An autonomously swimming biohybrid fish designed with human cardiac biophysics, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abh0474.

www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474