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用人類心臟細(xì)胞構(gòu)建“生物雜交魚”

發(fā)布時間:2022-02-16 09:39:00來源: 中國科學(xué)報

  有這樣一種“魚”,它們用人類心臟跳動的方式游動。

  美國研究人員利用人類干細(xì)胞分化出的心肌細(xì)胞,研發(fā)出了首個全自動生物雜交魚。這種人工魚通過重現(xiàn)心臟跳動時肌肉收縮的方式游動。這使研究人員離開發(fā)更復(fù)雜的人工肌肉泵又近了一步,同時為研究心律失常等心臟疾病提供了一個平臺。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)》。

  “我們的最終目標(biāo)是建造一個人工心臟來替代兒童畸形的心臟?!惫鸫髮W(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)教授、論文通訊作者Kit Parker說。

  Parker指出,包括他們此前已完成的工作在內(nèi),大多數(shù)構(gòu)建心臟組織或心臟的工作都集中在復(fù)制心臟解剖特征或在工程組織中復(fù)制心臟的簡單跳動?!岸舜?,我們嘗試從心臟生物物理學(xué)中汲取設(shè)計靈感,當(dāng)然這做起來會更難。我們正在確定使心臟工作的關(guān)鍵生物物理原理,將其作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),并在一個系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)制再現(xiàn)?!?/p>

  早在2012年,Parker的疾病生物物理學(xué)小組就利用大鼠心肌細(xì)胞構(gòu)建了一個類似水母的生物雜交泵。2016年,他們又利用大鼠心肌細(xì)胞研發(fā)出一種能夠游動的人工黃貂魚。

  在上述研究的基礎(chǔ)上,該團隊構(gòu)建了第一個由人類干細(xì)胞分化的心肌細(xì)胞制成的自主生物雜交裝置。該裝置的設(shè)計靈感來自斑馬魚的形狀和游動方式。

  與此前構(gòu)建的裝置不同,這種生物雜交斑馬魚有雙層肌肉細(xì)胞,尾鰭兩側(cè)各一層。當(dāng)一側(cè)收縮時,另一側(cè)伸展,而伸展動作會觸發(fā)一種機械敏感性蛋白質(zhì)通道的開放,從而導(dǎo)致收縮,接著又會觸發(fā)拉伸,由此形成一個閉環(huán)系統(tǒng),支撐生物雜交魚游動超過100天。

  “利用雙層肌肉間的心臟機械電信號,我們重新創(chuàng)造了一個循環(huán)——作為對一側(cè)肌肉細(xì)胞拉伸的反應(yīng),每一次另一側(cè)都會自動收縮。”SEAS博士后、論文共同第一作者Keel Yong Lee說,該研究結(jié)果突出了反饋機制在心臟等肌肉泵中的作用。

  此外,研究人員還設(shè)計了一個像起搏器一樣的自主起搏節(jié)點,控制肌肉細(xì)胞自發(fā)收縮的頻率和節(jié)奏。雙層肌肉細(xì)胞和自主起搏節(jié)點共同促成了生物雜交魚連續(xù)、自發(fā)、協(xié)調(diào)的前后鰭運動。

  這種生物雜交魚會隨著年齡的增長而愈發(fā)完美。因為心肌細(xì)胞的成熟,會使其肌肉收縮幅度、最大游動速度和肌肉協(xié)調(diào)性在第一個月均有所增加。最終,這種生物雜交魚達(dá)到了與野生斑馬魚相似的游動速度和效果。

  “通過采用上述兩種內(nèi)部起搏機制,我們的生物雜交魚比以前研究構(gòu)建的魚活得更長、移動速度更快,游動效率也更高。”研究小組成員、論文共同第一作者Sung-Jin Park說,該研究為研究機械電信號作為心律管理的治療靶點,以及竇房結(jié)功能障礙和心律失常等病理生理學(xué)研究提供了一個新模型。

  下一步,該團隊計劃用人類心臟細(xì)胞構(gòu)建更加復(fù)雜的生物雜交系統(tǒng)。(徐銳)

(責(zé)編: 李雨潼)

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