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人造水母模拟生物 Artificial Jellyfish

人造水母模拟生物 Artificial Jellyfish

美国科学家利用老鼠心脏细胞和硅树脂薄膜成功造出世界上第一只人造水母,这只水母在电流的刺激下能够像真正水母的那样,在水中游动。这使得组织工程学的量化和系统化研究又迈进一步,同时也为肌肉泵设计提供了新见解。

美国哈佛大学和加州理工学院的研究人员报告说,这个“人造水母”的外形像一朵八瓣花,八个“花瓣”都是由硅树脂制成,在它的中心是附着在薄膜上的老鼠心肌细胞。把它放入水中,每次通上电流,心肌细胞就会收缩,并带动八个“花瓣”向中间收缩运动,在电流消失后,硅树脂的弹性会使得它恢复原状。整个过程和自然界中水母的运动方式非常相似。

研究负责人基特·帕克认为,这项成果今后可用于测试心脏病药物,要看一种药物对心肌组织是否有效,可以先看看它在“人造水母”中的功效。研究人员说,接下来将尝试为“人造水母”增加一个“大脑”,使得它能够控制划水的角度和方向,更加接近真实的水母。

这项研究可能会引发新的关于“人造生命”的讨论。过去的一些“人造生命”走的是人工合成类似DNA物质的路子,而本次研究直接模拟出了一种生物,这样使用生物的细胞来制成“新生物”,可能会引发各种不同观点的争论。

Kit Parker,John Dabiri等人查阅了先前有关水母运动的研究资料,确定了水母运动的三个关键特征并设想了能够模拟出水母运动的组织工程学方案。其中,人工水母运动的供能环节是采用电流刺激大鼠心肌细胞,从而使得心肌细胞所组成的水母帽状部分发生快速、均匀的收缩。而收缩后的复原则是通过在可恢复弹性物质上生长出心肌细胞的方式实现。

心脏通过搏动将血液送往全身,而水母在形态和功能上都很像心脏,就像个“水泵”通过抽吸水来运动。为了逆向仿造一个“水母”,研究人员绘制了水母所有肌细胞内的亚细胞蛋白质网络排列图,研究了水母推进运动时的电生理引发过程和自身推进生物力学。在此基础上,他们在实验室培养了小鼠心肌细胞组织,运用数量分析法,把小鼠心肌细胞和水母肌肉的亚细胞、细胞及超细胞结构定量匹配,再结合硅酮树脂制造出“人造水母”,像真水母一样拥有8个手臂似的肢体。“人造水母”被放在一个盐水箱中,施加电流能模仿真水母通过肌肉收缩进行游泳。即使不加电流,肌肉细胞一开始也能自己收缩一点。

此外,通过针对年幼水母的深入研究,科学家发现了构成水母运动基础的心肌细胞在局部和整体上的运动模式。通过改变形状和肌肉结构,科学家成功制造出能够模仿水母游动和摄食行为的毫米级人工水母。该项研究所用到的这种定量逆向设计方案或可应用在治疗环境下的组织工程学中。

人造水母是科学家们寻求为心脏受损患者制造新鲜组织的前期尝试,同时为培育新鲜组织治疗人类受损心脏开辟了道路。图为工程化心肌组织的局部细节。

制药公司经常利用心肌组织测试新研发的心脏病药物。

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