该设备为人造肌肉泵提供了深入的见解，这是迈向人造心脏的一步。
哈佛大学的研究人员与埃默里大学的同事合作，利用人类干细胞来源的心肌细胞培育出了第一个完全自主的生物杂交鱼。这种人造鱼游动时，会再现心脏跳动时的肌肉收缩，这让研究人员离开发更复杂的人造肌肉泵又近了一步，并为研究心律失常等心脏疾病提供了一个平台。
第一个完全自主的生物杂交鱼来自人类干细胞来源的心肌细胞。资料来源:迈克尔·罗斯纳奇、李龙勇、朴成镇、凯文·基特·帕克
“我们的最终目标是制造一颗人造心脏来替代儿童畸形的心脏，”哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)塔尔家族生物工程与应用物理学教授、该论文的高级作者基特·帕克(Kit Parker)说。“构建心脏组织或心脏的大部分工作，包括我们已经完成的一些工作，都集中在复制解剖特征或在工程组织中复制心脏的简单跳动。但在这里，我们从心脏的生物物理学中汲取设计灵感，这很难做到。现在，我们不再使用心脏成像作为蓝图，而是识别使心脏工作的关键生物物理原理，将它们作为设计标准，并在一个系统中复制它们，一条活着的、会游泳的鱼，这样就更容易看到我们是否成功。”
这项研究发表在《科学》杂志上。
由该团队开发的生物杂交鱼建立在帕克氏疾病生物物理学小组之前的研究基础上。2012年，该实验室使用老鼠的心肌细胞构建了一个类似水母的生物混合泵，2016年，研究人员也从老鼠的心肌细胞中开发了一种游泳的人工黄貂鱼。
在这项研究中，研究小组建造了第一个由人类干细胞来源的心肌细胞制成的自主生物混合设备。这个装置的灵感来自斑马鱼的形状和游泳运动。与之前的设备不同，这种生物杂交斑马鱼有两层肌肉细胞，分别位于尾鳍的两侧。当一侧收缩时，另一侧就会伸展。这种拉伸触发了机械敏感蛋白通道的打开，从而导致收缩，进而触发拉伸，如此循环，最终形成一个闭环系统，这个闭环系统可以推动鱼活动100多天。
这是第一个由人类干细胞来源的心肌细胞制成的自主生物混合设备。这个装置的灵感来自斑马鱼的形状和游泳运动。与之前的设备不同，这种生物杂交斑马鱼有两层肌肉细胞，分别位于尾鳍的两侧。当一侧收缩时，另一侧就会伸展。这种拉伸触发了机械敏感蛋白通道的打开，从而导致收缩，进而触发拉伸，如此循环，最终形成一个闭环系统，这个闭环系统可以推动鱼活动100多天。资料来源:李龙勇、朴成镇、大卫·g·马修斯、乔治·兰黛、凯文·基特·帕克
“通过利用两层肌肉之间的心脏机械电信号，我们重新创建了一个循环，每次收缩都是对另一侧拉伸的自动反应，”SEAS博士后研究员、该研究的第一作者之一李龙永(Keel Yong Lee)说。“研究结果强调了反馈机制在肌肉泵(如心脏)中的作用。”
研究人员还设计了一个自主起搏节点，就像一个起搏器，控制这些自发收缩的频率和节奏。这两层肌肉和自主起搏器结合在一起，能够产生连续的、自发的、协调的鳍来回运动。
“由于这两种内部的节奏机制，我们的鱼可以比以前的研究活得更长，移动更快，游泳更有效率，”海洋与自然科学学院疾病生物物理学组的前博士后、该研究的第一作者之一Park Sung-Jin说。“这项新研究为研究作为心律管理治疗靶点的机械电信号提供了一个模型，并为理解窦房结功能障碍和心律失常的病理生理学提供了一个模型。”
自主游泳生物杂交鱼示意图。资料来源:迈克尔·罗斯纳奇、李龙勇、朴成镇、凯文·基特·帕克
Park目前是乔治亚理工学院和埃默里大学医学院库尔特生物医学工程系的助理教授。
与冰箱里的鱼不同，这种生物杂交鱼随年龄增长而进化。第一个月，随着心肌细胞的成熟，其肌肉收缩幅度、最大游泳速度和肌肉协调性均有所增加。最终，这种生物杂交鱼达到了与野生斑马鱼相似的速度和游泳效果。
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。
帕克说:“我可以用培乐多(Play-Doh)做一个心脏模型，但这并不意味着我可以做一个心脏。”“你可以在培养皿中培养一些随机的肿瘤细胞，直到它们凝结成一个搏动的肿块，并称之为心脏类器官。从设计上讲，这两种努力都不能概括一个系统的物理原理，这个系统在你的一生中跳动超过10亿次，同时又在运行中重建它的细胞。这就是挑战所在。那是我们工作的地方。”
这项研究由大卫·g·马修斯、肖恩·l·金、卡洛斯·安东尼奥·马尔克斯、约翰·f·齐默尔曼、赫德林·安·m·阿多纳、安德烈·g·克莱伯和乔治·v·兰黛共同撰写。
它得到了美国国立卫生研究院国家推进转化科学中心拨款UH3TR000522和美国国家科学基金材料研究科学与工程中心拨款DMR-142057的部分支持。
发表评论