科学:哈佛大学用人类心脏细胞做了一条鱼 可以游108天

来源：生物世界2022-02-14 08:29

心就像一台不知疲倦的永动机，生命不停地跳动。然而，心脏有规律的跳动并不是大脑发出的命令，而是心脏中的心肌细胞控制着整个心脏的跳动。然而，控制这一过程的机制并不完全清楚。受斑马鱼的形状和运动姿势的启发，哈佛大学和埃默里大学的研究团队首次利用来源于人类干细胞的心肌细胞开发出了完全自主的生物杂交鱼。该研究基于：一个自治的

心就像一台不知疲倦的永动机，生命不停地跳动。然而，心脏有规律的跳动并不是大脑发出的命令，而是心脏中的心肌细胞控制着整个心脏的跳动。然而，控制这一过程的机制并不完全清楚。

受斑马鱼形状和运动姿势的启发，哈佛大学和埃默里大学的研究团队首次利用人类来源的心肌细胞开发了完全自主的生物杂交鱼。

这项研究发表在国际顶级学术期刊《科学》上，题目是“一种利用人类心脏生物物理学设计的自主游泳生物杂交鱼”。借助这种能够自主游动的生物混血鱼，并聚焦于人心脏的关键调节特性，研究人员揭示了心肌泵反馈机制的重要性。

研究团队还表示，这一发现可能有助于未来开发一种由活心肌细胞制成的人工心脏，用于治疗严重心肌功能障碍患者。

生物杂交鱼的设计与构建

在循环系统中，电信号和心脏自主性在调节心肌收缩的速度和强度方面起着重要作用。心脏的自律性起源于窦房结，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启动自我生成活动。

随后，研究人员利用心脏控制系统的原理设计了生物杂交鱼，可以使流体泵送系统的效率与天然鱼流体泵送系统的效率相等。利用心脏功能的基本特性，可以实现自主自起搏和自主运动控制。

这种生物杂交鱼具有拮抗肌双层和几何绝缘的心脏组织节点，其中含有人源性心肌细胞(CMs)。在生物杂交鱼的肌肉双层结构中，CMs的两侧是机械耦合在一起的，因此一侧肌肉的收缩可以直接转化为对侧肌肉的轴向拉伸，从而导致肌肉兴奋和收缩的拮抗作用。

为了复制窦房结的电绝缘结构，他们通过出口通道在G节和肌肉组织之间建立了电连接。因此，生物杂交鱼的肌肉双层和G节共同使其产生连续节律来调节肌肉拮抗，从而产生自发的、协调的体-尾鳍运动。

为了系统描述肌肉双层的运动学，他们通过外界光刺激控制生物杂交鱼的拮抗肌肉收缩。蓝色和红色发光二极管的光脉冲交替刺激肌肉双层，左侧肌肉组织在红光的刺激下开始收缩。蓝光刺激后，右侧肌肉组织被诱导收缩，尾巴以近乎伸直的姿势缩回，生物混血鱼产生有节奏的、持续的向前推力，实现前进。

接下来，他们测试了由人类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信号保持自发的节律性收缩。研究发现，生物杂交鱼一侧的自发激活和收缩，可通过肌肉组织间的机械耦合，导致另一侧随后的拮抗收缩。这些自发的对抗性收缩使鱼体交替弯曲并有节奏地向前移动。这些现象证明了肌肉双层的自发节律性收缩。

考虑到生物杂交鱼自主对抗肌肉收缩，难免会有人质疑这种自发活动能否长期发挥作用。最后，研究人员让这种生物杂交鱼自发移动108天，相当于心脏跳动3800万次。结果表明，自泳杂交鱼在第一个月内肌肉收缩幅度、最大游泳速度和肌肉协调能力不断提高，在108天内保持了良好的游泳表现。这些数据证明了肌肉双层系统和电信号作为促进肌肉组织体外成熟的手段的潜力。

综上所述，研究人员从心脏的生物物理学中汲取了设计灵感，并在世界上首次利用人类衍生的心肌细胞制造出这种能游动100多天的自主杂交鱼。通过建立一个“心脏”来复制心脏工作的关键生物物理原理，它可以帮助将来更仔细地研究心脏病。(100yiyao.com)

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