機器之心報道
機器之心編輯部
人類心臟可以在沒有來自大腦訊號的情況下跳動，此屬性是高階動物心臟特有的，其在一組專門的細胞中產生，細胞產生週期性的電振盪和機械反饋，該過程的機制尚不完全清楚。
雖然不知道心臟起搏作用的確切機制，但我們是否可以自建一個「心臟」來複制這種物理過程？有科學家已經做到了。
今天的主角，是一條條活蹦亂跳的「魚」。
這條魚在葡萄糖鹽溶液中四處遊蕩，尾巴有節奏地左右擺動。你可能很難相信，這種擺動來源於人體心臟跳動的力量。
這是由哈佛大學和埃默裡大學的科學家研發的一種「合成魚」裝置，是由活的心肌細胞（由人類幹細胞培育而成）組成的，它可以持續遊動 100 天以上。研究登上了頂級學術期刊《Science》。
論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474
這條合成魚的創造基於人體心臟的兩個關鍵調節特徵：(1) 心臟自發發揮作用，無需有意識的輸入（自動性）；(2) 由機械運動（機械電訊號）發起的資訊傳遞。
這項研究收穫的經驗有助於研究人員更細緻地研究心臟疾病。論文作者之一、哈佛大學生物工程師 Kevin Kit Parker 說：「研究的最終目標是建造人造心臟來替代兒童畸形心臟。」
建立外觀結構和心臟相似的東西相對容易，而製作實際功能類似心臟的模型則是一個艱鉅的挑戰。蠕動的魚型機器人是朝著這一目標邁出的一大步，它建立在之前兩項使用大鼠心肌細胞的研究基礎之上，一個是構建人造水母，另一個是半機械黃貂魚。
「我可以用 Play-Doh 構建一個模型心臟，但這並不意味著我可以構建一個心臟。」Parker 說道。培養其他細胞相對容易，但無法透過設計使用其他細胞來概括一個在人體生命週期中跳動超過 10 億次的系統的物理特性。
這也正是挑戰的關鍵問題所在。此次用人體心臟細胞進行的合成魚研究，就是想開啟這個問題的突破口。
用心臟細胞做的「魚」什麼樣？
首先來看這條合成魚的構造。
在設計上，一方面，這條魚有雙層肌細胞，尾鰭兩側各有一層。當一側收縮時，另一側伸展，這使得對機械運動敏感的離子通道開啟，導致帶電離子流入並在該側收縮。
整體而言，該魚是由 73000 個活體心肌細胞（cardio myocyte, CM）組成，水凝膠紙複合體總長為 14 毫米，總質量為 25.0 毫克，包括 0.36 毫克肌肉質量。
下圖詳細展示了這條魚的五層（five-layered）身體結構。當魚鰭一側收縮時，另一側伸展，形成了一個自我維持的游泳運動。
另一方面，研究者還設計了一個「自主起搏節點」（autonomous pacing node），他們稱為 G-node，它就像普通的起搏器一樣，控制自主收縮的頻率和節奏。兩層肌肉和自主起搏節點一起能夠產生連續、自發和協調的來回鰭運動，從而可以驅動這條魚遊動超過 100 天。
考慮到這條合成魚的自主拮抗肌肉收縮，研究者探究了這種自主運動能夠改善它的長期表現。結果顯示，這條合成魚保持自主運動長達 108 天，相當於跳動了 3800 萬次。與之對比，半機械黃貂魚只維持了 6 天，基於骨骼肌的合成致動器維持了 7 天。
下圖 5A 為合成魚的軌跡（網格 1cm）；5B 為具有 79% 拮抗收縮的 108 天合成魚的擺尾角度；5C 為合成魚在 108 天內的游泳效能。配備雙層肌細胞的合成魚在第一個月表現出收縮幅度增強、最大游泳速度和肌肉協調性，並將它們的效能維持了 108 天。
這也意味著，和其他生物機器人不同，這條合成魚隨著年齡的增長效能還會不斷改進。隨著心肌細胞的成熟，魚的肌肉收縮強度、最大游泳速度和肌肉協調性在第一個月都會提升，最終可以達到與野生斑馬魚相似的速度和效率。
具體而言，合成魚的遊動速度（15.0 mm/s）超過了以往的生物混合肌肉系統。該速度是半機械黃貂魚的 5 至 27 倍，彰顯了反饋機制在生物混合系統開發中的重要性。並且，當考慮到合成魚和半機械黃貂魚各自的肌肉質量與身體總重量的比率時，這條合成魚每單位肌肉質量的遊動速度比半機械黃貂魚快了一個數量級，是後者最大速度的 13 倍。
下圖 4 為不同生物混合「魚」和野生魚之間的最大遊動速度比較。可以看到，這條合成魚的最大速度超過了幼年斑馬魚和白摩利等。
未來展望
「透過利用兩層肌肉之間的心臟機械電訊號，我們重建了每次收縮自動產生的迴圈，作為對另一側拉伸的反應」，論文的共同一作、哈佛大學生物工程師 Keel Yong Lee 說道。「該結果展示了反饋機制在心臟等肌肉泵中的作用。」
研究者還將一個類似起搏器的系統整合到了生物混合體中，以形成一個能夠控制運動頻率和協調性的孤立細胞簇。
「由於這兩種內部起搏機制，我們的魚可以活得更長、移動得更快、游泳效率更高。」該論文的共同一作，佐治亞理工學院、埃默裡大學華萊士 ·h· 庫爾特生物醫學工程系助理教授 Sung-Jin Park 說道。
半機械半生物魚的組織範圍收縮與其所模仿的斑馬魚相當——相比純機械機器人系統可以更有效地推動自身前進。
「和以心臟組織作為藍圖的研究不同的是，我們確定了使心臟工作的關鍵生物物理原理，將其用作設計標準，並將它複製到一個系統中——一條活的、游泳的「魚」，這使得我們可以更容易地觀察我們是否成功了。」Sung-Jin Park 說道。
倫敦國王學院的 Mathias Gautel 說：「如果該研究的進展順利，從動物真實心臟中分離出的原代細胞將可能會存活二至四個星期，甚至可以將其擴充套件到小型動物整個生命週期的水平，這一事實令人驚歎。」
未來，該團隊將利用人類心臟細胞構建更復雜的生物混合裝置。
參考連結：
https://bme.gatech.edu/bme/news/researchers-create-biohybrid-fish-powered-human-heart-cells
https://www.sciencealert.com/watch-this-biohybrid-fish-swim-to-the-rhythm-of-its-living-human-heart-cells
https://www.newscientist.com/article/2307975-robofish-powered-by-human-cardiac-cells-gives-fresh-insight-into-heart/
