《Science》哈佛大学用人类心脏细胞制造了一种杂交“人鱼”

2022年2月11日，来自哈佛大学和埃默里大学的一个研究团队，受到斑马鱼的形态和运动姿势的启发，首次利用人类干细胞来源的心肌细胞培育出了一条完全自主的生物杂交鱼，可自主游泳108天。

该研究结果发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)上，题目是:利用人类心脏生物物理学原理设计的自主游泳生物杂交鱼。

利用这种自主游泳的生物杂交鱼聚焦于人类心脏的关键调节特征，研究人员揭示了心肌泵的反馈机制的重要性。

该研究团队还表示，这一发现在未来可能有助于开发由活的心肌细胞制成的人工心脏，以治疗心肌功能严重缺陷的患者。

在循环系统中，电信号和心脏自动性在调节心肌收缩的速度和强度方面起着至关重要的作用。

心脏的自主性起源于窦房结，窦房结在结构和功能上与周围心肌隔离，在没有外部刺激和直接神经干预的情况下，窦房结会自发地发起电活动。

然后，研究人员利用心脏控制系统的原理设计了一种生物杂交鱼，这种鱼可以使流体泵送系统的效率与天然鱼类的流体泵送系统相媲美。利用心功能的基本特征，可以实现自主的自我起搏和独立的运动控制。

这种生物杂交鱼具有拮抗的肌肉双层和几何绝缘的心脏组织节点包含人类干细胞来源的心肌细胞(CMs)。在生物杂交鱼的肌肉双层结构中，CMs的两侧机械耦合在一起，使一侧肌肉的收缩可以直接转化为对侧肌肉的轴向拉伸，导致拮抗肌肉的兴奋和收缩。

为了复制窦房结的电绝缘结构，他们通过一个出口通道在窦房结和肌肉组织之间建立了一个电连接。

因此，生物杂交鱼的肌肉双分子层和G节点共同使其产生一种连续的节律来调节肌肉的拮抗作用，从而产生自发的、协调的身体尾鳍运动。

为了系统地描述肌肉双分子层的运动学特征，他们通过外部光遗传刺激控制生物杂交鱼的拮抗肌肉收缩。肌肉双分子层被蓝色和红色发光二极管光脉冲交替刺激。在红光刺激下，左侧肌肉组织开始收缩;在蓝光的刺激下，右肌肉组织被诱导收缩，尾巴以近乎笔直的姿势缩回。产生有节奏的向前连续推力来实现前进。

接下来，他们测试了由人类干细胞来源的心肌细胞重建的拮抗肌肉收缩是否可以通过机械电子信号维持自发的节律性收缩。

人们发现，生物杂交鱼一侧的自发激活和收缩可以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。

这些自发的对抗收缩导致鱼有节奏地进行交替弯曲运动，向前移。这些现象表明肌肉双分子层的自发节律性收缩。

考虑到生物杂交鱼的自发拮抗肌肉收缩，不可避免地会有人质疑这种自发的活动能否长期有效。

最后，研究人员让这种生物杂交鱼自发活动了108天，相当于3800万次心脏跳动。

结果表明，自主游泳的生物杂交鱼在1个月内不断提高肌肉收缩幅度、最大游动速度和肌肉协调性，并在108天内保持良好的游泳性能。

这些数据表明，肌肉双分子层系统和电子信号作为一种手段，在体外促进肌肉组织成熟的潜力。

总之，研究人员从心脏的生物物理学中获得设计灵感，并在世界上首次使用人类干细胞衍生的心肌细胞，创造了这种自主的生物杂交鱼，可以连续游泳超过100天。

通过自己建造一个“心脏”来复制心脏工作中的关键生物物理原理，它可以帮助未来更详细地研究心脏病。

下一步，该团队的目标是利用人类心脏细胞制造更复杂的生物混合设备。

这项研究的通讯作者凯文·基特·帕克教授说:“我们的最终目标是建立一个人工心脏来替代儿童畸形的心脏。很多构建心脏组织或心脏的工作，包括我们已经完成的一些工作，都集中在复制解剖结构上。在工程组织中描述或复制心脏简单跳动的能力，将导致未来在翻译水平上进行更深入的研究。”

参考:https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474