2022年02月22日 11:04 環球科學 實驗制成的混合魚。 (圖片來源:Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker) 在一汪清澈的水中,一條晶瑩剔透的魚正歡快地擺動著尾巴向前遊動。 它的動作看起來似乎不太協調,定睛一看,它的外表也和一般的魚不同,好像過於粗獷了些。 撰文|李詩源 審校|二七 如果在顯微鏡下看一眼,你便能揭開這條魚的「真面目」。 其實這只是科學家造出來的一條魚,它的「零件」不過是一些紙板、明膠、塑料,還有你想不到的成分——人的心肌組織。 這樣一部聽上去頗有科幻氣息的作品,在最近登上了《科學》(Science)雜志。 自動的液泵 我們的心髒由厚實有力的心肌包裹形成。 在人的一生中,在你不經意流逝的分分秒秒中,心髒總計要跳動二三十億次,你既不需要也不能夠控制它的每一次跳動。 和隨意支配的骨骼肌不同,心髒有著自動的節律性(automaticity)。 心髒這種天然、自動的液泵,引起了科學家的關注。 這種泵推動血液形成循環的回路,是生命的動力之源。 在自然界中,除了在生物體內,生物整體也可以被視為液泵,例如我們熟悉的魚。 在某種意義上,魚遊泳時本身也是一台強有力的泵。 通過協調而有力的肌肉收縮和水的反作用力,魚將儲存在體內的能量轉化為身體前進的動能,這種過程與泵的工作機制異曲同工。 在機械化的人類文明中,泵則是一種重要的動力裝置。 人們為了制造具有複雜功能的機械費盡周折,複刻如生物體般精密、複雜、協調的系統更是難如登天。 那麼為什麼不轉換思路,用現有的天然材料來嘗試呢?來自哈佛大學的一群科學家便受到了斑馬魚的啟發:既然都是泵,能不能利用心髒這種自動的泵,做出一條能自己遊的魚? 紙板和心肌糊出來的魚 科學家模仿斑馬魚的形態和遊動動作,設計了包含5層結構的生物混合(biohybrid)魚。 魚的身體最中央是一層柔性的明膠,左右兩側各夾了一層硬紙板,就像三明治一樣。 而在左右的紙板外側、靠近尾部的位置,則分別織上了一層心肌組織,由人的幹細胞分化而來。 最後,為了保持平衡、調整浮力和減小阻力,魚的背側橫插了一片塑料的浮鰭,類似機翼。 混合魚結構示意。 從左到右分別為肌肉、紙板、明膠、紙板和肌肉,背側還插入了一片塑料鰭。 (圖片來源:Michael Rosnach, Keel Yong Lee, Sung-Jin Park, Kevin Kit Parker) 最終,每條「成品魚」體長只有14毫米,體重只有25毫克。 整條魚的核心部分,則是那總重只有0.36毫克的心肌組織,包含大約73 000個活的心肌細胞。 在這裏不得不提到心肌可能存在的一大特性。 此前科學家猜想,心髒內存在調控心肌收縮的反饋通路,當心肌組織被拉伸時,其中機械敏感(mechanosensitive)的離子通道蛋白被激活,從而改變組織的電生理特性、引發收縮。 除了這種反饋機制外,在設計混合魚的時候,科學家還受到了另一類動物的啟發——昆蟲。 昆蟲的胸部具有兩組相互垂直的肌肉,這兩組肌肉收縮時會導致翅膀向相反的方向扇動,也就意味著它們是一組拮抗(antagonistic)肌。 當其中一組肌肉收縮時,另一組肌肉被拉伸,這種刺激會反過來使之收縮,從而產生持續的交替收縮。 昆蟲肌肉異步收縮的示意。 A:走向與前後體軸一致和垂直的兩組肌肉;B:肌肉拉伸可以引發一組拮抗肌交替收縮,產生持續的循環。 (圖片來源:原論文補充材料) 這聽上去是不是很像心肌的特征?科學家認為,采用了類似的雙層肌肉設計的混合魚,在身體一側的肌肉收縮時,另一側的肌肉便會被拉伸、引發收縮,形成類似的閉環回路。 經過實測,這種混合魚上的心肌組織可以自發收縮並形成持續的回路,讓它們能夠自己遊起來,尾巴平均每秒能左右擺動差不多2個來回。 混合魚可以自發交替收縮兩側的肌肉,有節奏地遊動。 視頻為0.2倍速,每一小格的邊長為1厘米。 (來源:原論文補充材料) 加上起搏器 在真實的心髒中,有一小部分位於竇房結、房室結等結構內的細胞充當了「起搏器」,可以自發產生電信號,促使心肌收縮。 在實驗中,科學家也嘗試著給這些魚加上了類似的起搏結構。 他們把另外一小叢心肌細胞也加到了混合魚的身體上,做成一個起搏節點——「G節點」(G-node)。 實驗發現,G節點可以成功發送起搏信號,增強其他心肌細胞的收縮。 混合魚在裝載上G節點後,擺尾的頻率明顯提高,平均每秒能左右擺動接近3個來回。 最終,這些混合魚表現出了非常優秀的遊泳能力。 它們當中,遊動最快的速度達到了15毫米/秒,相當於每秒前進距離超過身體的長度。 相比之下,以前制造出的一些類似的生物混合體,遊動的速度只有這些魚的1/27到1/5。 自發遊動速度最快的混合魚,擺尾頻率達到3.7赫茲。 視頻為1倍速,每一小格的邊長為1厘米。 (來源:原論文補充材料) 這些混合魚的遊動能力,一定程度上還達到甚至超過了自然界中一些體型相當的魚。 雖然像幼體斑馬魚等魚類的絕對遊動速度比混合魚快得多,但這些「天然魚」肌肉質量可占體重的80%,而混合魚的這個比值只有1.4%,肌肉少得可憐。 如果按單位質量肌肉的遊動速度來比較,混合魚的速度可以超出天然魚70~150倍,頗有「四兩撥千斤」的風範。 而且,這些看似簡陋的混合魚實則非常耐久,其中維持自發遊動時間最長的堅持了108天,相當於尾巴擺動了3800萬次,而且在此期間其肌肉收縮幅度、最大遊速、肌肉收縮的協調性都基本保持不變。 而在以往關於生物混合體的研究中,那些「前輩」通常只能撐過1周至1個月左右。 用光照控制魚 你可能會覺得,這些混合魚雖然看上去很厲害,但是只能自發遊動而不聽指揮,似乎也很難派上用場。 其實不然,科學家已經留了後手。 他們在魚左右兩側的心肌細胞中,分別插入了兩種不同的感光蛋白的DNA序列,使左右側的細胞分別可以表達出對紅光和藍光敏感的蛋白質。 這些感光蛋白在接受特定波長的光照射後便會激活,將光信號轉化為細胞的電信號,促使肌肉收縮。 也就是說,如果用特定波長的紅光和藍光交替照射,混合魚的左右兩側肌肉組織便會交替收縮。 這種光照的信號可以蓋過自發收縮的信號,使操作者可以從心肌組織手上接過對魚的控制權。 通過這種光遺傳學(optogenetics)技術,科學家就可以精准地操控細胞的活動和行為。 在施加交替變化的紅-藍光刺激後,混合魚的肌肉收縮變得與光照變化同步。 (來源:原論文補充材料) 而如果用其中一種光持續照射,混合魚的肌肉就會停止收縮,讓魚停下來;撤去光源或者碰一下混合魚(機械刺激),又可以讓魚重新動起來。 上:單色光持續照射會使混合魚停止運動,撤去光照後恢複運動;下:在單色光持續照射的情況下,施加外部機械刺激可以使魚恢複運動。 (來源:原論文補充材料) 生物機械要來了? 從這項研究看來,生物和機械的混合體似乎大有可為。 不過,這次科學家做出來的魚還只是非常簡陋的雛形(從它們的外形也能看出來),距離功能強大的裝置還有很遠。 對於科學家來說,這項工作只不過是為開發更強大的自動化系統鋪上了又一塊奠基石。 他們同樣在乎的,還有對心肌細胞本身的生理特性和工作機制的探究。 如果說生物混合魚略帶些科幻色彩,那麼研究清楚我們最重要的器官之一——心髒,進而用心肌細胞做出複雜的人工心髒,則是真切的濟世救民情懷。 畢竟,有許多無助的先天心髒畸形患者在等待一顆健康的心髒,而器官移植的缺口一直有如深壑,人工心髒將會成為患者的一根救命稻草。 但要複現心髒這種複雜系統的物理特性和功能,做出一顆完好、可以跳動十億次,而且還可以自行修複細胞的人工心髒,並不是一件近在眼前的事。 這項研究的通訊作者凱文·基特·帕克(Kevin Kit Parker)打趣道:「我們可以用橡皮泥做出模型心髒,但這並不意味著我們可以做出一個心髒。 」盡管如此,既然心肌和「魚」的巧妙結合已經給我們帶來了驚喜,又何妨期待這個領域和孜孜不倦、腦洞大開的科學家們,繼續刷新我們的認知? 「挑戰是艱巨的。 但這也正是我們為之奮鬥的目標。 」帕克堅定地說道。 論文鏈接: http://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474 參考鏈接: 《你的心肌細胞可以變成魚,還能在水裏遊108天》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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你的心肌細胞可以變成魚,還能在水裏遊108天
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