你的心肌细胞可以变成鱼,还能在水里游108天

科技 5个月前 社科兔
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你的心肌细胞可以变成鱼,还能在水里游108天

  实验制成的混合鱼。(图片来源:Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker)

  在一汪清澈的水中,一条晶莹剔透的鱼正欢快地摆动着尾巴向前游动。它的动作看起来似乎不太协调,定睛一看,它的外表也和一般的鱼不同,好像过于粗犷了些。

  撰文|李诗源

  审校|二七

  如果在显微镜下看一眼,你便能揭开这条鱼的“真面目”。其实这只是科学家造出来的一条鱼,它的“零件”不过是一些纸板、明胶、塑料,还有你想不到的成分——人的心肌组织。这样一部听上去颇有科幻气息的作品,在最近登上了《科学》(Science)杂志。

  自动的液泵

  我们的心脏由厚实有力的心肌包裹形成。在人的一生中,在你不经意流逝的分分秒秒中,心脏总计要跳动二三十亿次,你既不需要也不能够控制它的每一次跳动。和随意支配的骨骼肌不同,心脏有着自动的节律性(automaticity)。

你的心肌细胞可以变成鱼,还能在水里游108天

  心脏这种天然、自动的液泵,引起了科学家的关注。这种泵推动血液形成循环的回路,是生命的动力之源。在自然界中,除了在生物体内,生物整体也可以被视为液泵,例如我们熟悉的鱼。在某种意义上,鱼游泳时本身也是一台强有力的泵。通过协调而有力的肌肉收缩和水的反作用力,鱼将储存在体内的能量转化为身体前进的动能,这种过程与泵的工作机制异曲同工。

  在机械化的人类文明中,泵则是一种重要的动力装置。人们为了制造具有复杂功能的机械费尽周折,复刻如生物体般精密、复杂、协调的系统更是难如登天。那么为什么不转换思路,用现有的天然材料来尝试呢?来自哈佛大学的一群科学家便受到了斑马鱼的启发:既然都是泵,能不能利用心脏这种自动的泵,做出一条能自己游的鱼?

  纸板和心肌糊出来的鱼

  科学家模仿斑马鱼的形态和游动动作,设计了包含5层结构的生物混合(biohybrid)鱼。鱼的身体最中央是一层柔性的明胶,左右两侧各夹了一层硬纸板,就像三明治一样。而在左右的纸板外侧、靠近尾部的位置,则分别织上了一层心肌组织,由人的干细胞分化而来。最后,为了保持平衡、调整浮力和减小阻力,鱼的背侧横插了一片塑料的浮鳍,类似机翼。

你的心肌细胞可以变成鱼,还能在水里游108天

  混合鱼结构示意。从左到右分别为肌肉、纸板、明胶、纸板和肌肉,背侧还插入了一片塑料鳍。(图片来源:Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker)

  最终,每条“成品鱼”体长只有14毫米,体重只有25毫克。整条鱼的核心部分,则是那总重只有0.36毫克的心肌组织,包含大约73 000个活的心肌细胞。

  在这里不得不提到心肌可能存在的一大特性。此前科学家猜想,心脏内存在调控心肌收缩的反馈通路,当心肌组织被拉伸时,其中机械敏感(mechanosensitive)的离子通道蛋白被激活,从而改变组织的电生理特性、引发收缩。

  除了这种反馈机制外,在设计混合鱼的时候,科学家还受到了另一类动物的启发——昆虫。昆虫的胸部具有两组相互垂直的肌肉,这两组肌肉收缩时会导致翅膀向相反的方向扇动,也就意味着它们是一组拮抗(antagonistic)肌。当其中一组肌肉收缩时,另一组肌肉被拉伸,这种刺激会反过来使之收缩,从而产生持续的交替收缩。

你的心肌细胞可以变成鱼,还能在水里游108天

  昆虫肌肉异步收缩的示意。A:走向与前后体轴一致和垂直的两组肌肉;B:肌肉拉伸可以引发一组拮抗肌交替收缩,产生持续的循环。(图片来源:原论文补充材料)

  这听上去是不是很像心肌的特征?科学家认为,采用了类似的双层肌肉设计的混合鱼,在身体一侧的肌肉收缩时,另一侧的肌肉便会被拉伸、引发收缩,形成类似的闭环回路。经过实测,这种混合鱼上的心肌组织可以自发收缩并形成持续的回路,让它们能够自己游起来,尾巴平均每秒能左右摆动差不多2个来回。

  混合鱼可以自发交替收缩两侧的肌肉,有节奏地游动。视频为0.2倍速,每一小格的边长为1厘米。(来源:原论文补充材料)

  加上起搏器

  在真实的心脏中,有一小部分位于窦房结、房室结等结构内的细胞充当了“起搏器”,可以自发产生电信号,促使心肌收缩。在实验中,科学家也尝试着给这些鱼加上了类似的起搏结构。他们把另外一小丛心肌细胞也加到了混合鱼的身体上,做成一个起搏节点——“G节点”(G-node)。

  实验发现,G节点可以成功发送起搏信号,增强其他心肌细胞的收缩。混合鱼在装载上G节点后,摆尾的频率明显提高,平均每秒能左右摆动接近3个来回。

  最终,这些混合鱼表现出了非常优秀的游泳能力。它们当中,游动最快的速度达到了15毫米/秒,相当于每秒前进距离超过身体的长度。相比之下,以前制造出的一些类似的生物混合体,游动的速度只有这些鱼的1/27到1/5。

  自发游动速度最快的混合鱼,摆尾频率达到3.7赫兹。视频为1倍速,每一小格的边长为1厘米。(来源:原论文补充材料)

  这些混合鱼的游动能力,一定程度上还达到甚至超过了自然界中一些体型相当的鱼。虽然像幼体斑马鱼等鱼类的绝对游动速度比混合鱼快得多,但这些“天然鱼”肌肉质量可占体重的80%,而混合鱼的这个比值只有1.4%,肌肉少得可怜。如果按单位质量肌肉的游动速度来比较,混合鱼的速度可以超出天然鱼70~150倍,颇有“四两拨千斤”的风范。

  而且,这些看似简陋的混合鱼实则非常耐久,其中维持自发游动时间最长的坚持了108天,相当于尾巴摆动了3800万次,而且在此期间其肌肉收缩幅度、最大游速、肌肉收缩的协调性都基本保持不变。而在以往关于生物混合体的研究中,那些“前辈”通常只能撑过1周至1个月左右。

  用光照控制鱼

  你可能会觉得,这些混合鱼虽然看上去很厉害,但是只能自发游动而不听指挥,似乎也很难派上用场。其实不然,科学家已经留了后手。他们在鱼左右两侧的心肌细胞中,分别插入了两种不同的感光蛋白的DNA序列,使左右侧的细胞分别可以表达出对红光和蓝光敏感的蛋白质。这些感光蛋白在接受特定波长的光照射后便会激活,将光信号转化为细胞的电信号,促使肌肉收缩。

  也就是说,如果用特定波长的红光和蓝光交替照射,混合鱼的左右两侧肌肉组织便会交替收缩。这种光照的信号可以盖过自发收缩的信号,使操作者可以从心肌组织手上接过对鱼的控制权。通过这种光遗传学(optogenetics)技术,科学家就可以精准地操控细胞的活动和行为。

  在施加交替变化的红-蓝光刺激后,混合鱼的肌肉收缩变得与光照变化同步。(来源:原论文补充材料)

  而如果用其中一种光持续照射,混合鱼的肌肉就会停止收缩,让鱼停下来;撤去光源或者碰一下混合鱼(机械刺激),又可以让鱼重新动起来。

  上:单色光持续照射会使混合鱼停止运动,撤去光照后恢复运动;下:在单色光持续照射的情况下,施加外部机械刺激可以使鱼恢复运动。(来源:原论文补充材料)

  生物机械要来了?

  从这项研究看来,生物和机械的混合体似乎大有可为。不过,这次科学家做出来的鱼还只是非常简陋的雏形(从它们的外形也能看出来),距离功能强大的装置还有很远。对于科学家来说,这项工作只不过是为开发更强大的自动化系统铺上了又一块奠基石。

  他们同样在乎的,还有对心肌细胞本身的生理特性和工作机制的探究。如果说生物混合鱼略带些科幻色彩,那么研究清楚我们最重要的器官之一——心脏,进而用心肌细胞做出复杂的人工心脏,则是真切的济世救民情怀。毕竟,有许多无助的先天心脏畸形患者在等待一颗健康的心脏,而器官移植的缺口一直有如深壑,人工心脏将会成为患者的一根救命稻草。

  但要复现心脏这种复杂系统的物理特性和功能,做出一颗完好、可以跳动十亿次,而且还可以自行修复细胞的人工心脏,并不是一件近在眼前的事。这项研究的通讯作者凯文·基特·帕克(Kevin Kit Parker)打趣道:“我们可以用橡皮泥做出模型心脏,但这并不意味着我们可以做出一个心脏。”尽管如此,既然心肌和“鱼”的巧妙结合已经给我们带来了惊喜,又何妨期待这个领域和孜孜不倦、脑洞大开的科学家们,继续刷新我们的认知?

  “挑战是艰巨的。但这也正是我们为之奋斗的目标。”帕克坚定地说道。

  论文链接:

  http://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474

  参考链接:

  https://www.eurekalert.org/news-releases/942508

  https://www.eurekalert.org/news-releases/942778

  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK572070/

  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557664/

  https://www.britannica.com/science/optogenetics

  https://bme.gatech.edu/bme/news/researchers-create-biohybrid-fish-powered-human-heart-cells

版权声明:社科兔 发表于 2022年3月16日 上午3:45。
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