受光線驅動的機器魟魚──人工心臟的誕生關鍵

作者 | 發布日期 2016 年 09 月 03 日 12:00 | 分類 機器人 , 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly
flickr Barry Peters

你看過半生物、半機械的生物嗎?你能想像這樣神奇的機械生物可以幫助科學家研究出人類心臟的製作技術與方法嗎?



Kevin Kit Parker 有一個遠大的目標──製作出具完整功能的人類心臟,這個靈感源自於他與年幼女兒在波士頓逛水族館的經驗,而他們父女倆的喜好,竟意外促成了一個意想不到的結果──一隻五分美元硬幣大小的人造魟魚,其動力來源為大鼠的心肌細胞,且運動方向會受到外在光線所引導。

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▲ Parker 的女兒以手掌比較機器魟魚與真正魟魚的大小。(Source:science

Parker 是哈佛大學的應用物理學家,5 年前在海生館觀察水母而受到啟發,水母在水中移動時進行的規律性抽動,使他不禁聯想起心臟的規律性跳動,這因此讓他第一次跨入了機器人學的領域。他的團隊原本就具備將心肌細胞成功培養到矽膜上的技術,而現在他想嘗試能否將細胞置入類水母的幫浦(jellyfishlike pump),成為一個具運動功能的物體。

他們實驗做出了一個結構簡單的類水母型(medusoid)人造生物,牠的組成是由心肌細胞覆蓋在層狀矽膜上,並將之塑造成杯狀。細胞必須保存在含有鹽分與糖分的溶液中,通以少量的電流刺激可使細胞收縮,並改變該杯狀物的形狀,使此人造生物排出液體,驅使自身向前移動。「這對我來說只是一種訓練,我期望能精進建構肌肉幫浦的技術。」Parker 說。

有一天,當她的女兒觸碰水箱中的魟魚時,牠迅速的擺動了身體並轉向。Parker 心想:「或許魟魚如何改變其前進方向,與其心臟血液流動如何被調節有一些相似處。」所以他決定從研究水母擴展到魟魚,提升生物混合(biohybrids)技術的複雜度。而再一次感謝他的女兒,讓他設想出一個簡單的方法控制機器魟魚,那就是利用光。當他女兒還在學走路時,Parker 會用雷射筆照射光線在地面,指引她一步一步向前走。或許可以利用一樣的概念讓人造魟魚的肌肉細胞也會因感光而收縮。

Parker 的團隊花了 4 年的時間證實了原本的預測。為了仿效動物的解剖結構,他們以許多軟式機器人的型態進行實驗,最終成功的將黃金骨架包夾在兩層矽的中間。

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▲ 機器魟魚結構示意圖。

每隻人造魟魚由 20 萬個心臟細胞列印在矽層上所組成,其細胞是從兩天大的大鼠胚胎培養得到的。矽層上有一個含纖維連結蛋白(fibronectin)的模板,可以引導細胞生長成放射狀的圖案,類似真正魟魚的肌肉生長方向。細胞生長結構的正確與否很重要,這決定了人造魟魚的心臟細胞是否能發揮如同骨骼肌(skeletal muscle)的功能。

然而,Parker 的團隊並沒有完全遵照魟魚肌肉的實際結構,他們走了捷徑。真正的魟魚在胸鰭中有兩組肌肉,分別拉往相反的方向,可將鰭移動向上、再向下。但機器魟魚只有一組肌肉,負責將鰭拉向下,而它的黃金骨架可透過彈力作用再將鰭拉回來。

他們利用病毒感染將編有光遺傳分子開關(optogenetic molecular switch)的基因轉殖到心臟細胞中,當被藍色的光線照射時,這個修飾過的心臟細胞便會抽搐。但這個過程並不容易,光是要讓機器魟魚因受光線照射在前鰭而前進,就嘗試了至少 200 次。最終,他們成功製作出 100 隻以上可以在水中游過障礙物的機器魟魚。改變光線的照射頻率可以減緩或加速其肌肉收縮的速率,若使其中一邊的速率快於另一邊,便可控制機器魟魚向右或向左轉。

機器魟魚的移動速率只能到達每小時 9 公尺,且轉向很緩慢,遠遠比不上真正的魟魚。另外,機器魟魚只有在富含營養成分,且溫度維持在大鼠體溫的溶液中才能運作,要讓機器魟魚可在自然的環境中運行仍是一項挑戰。

儘管如此,要抵達這一步已經非常不容易了。華盛頓大學的生物學家 Adam Summers 表示:「這個活體機器人是結合了工程學、細胞培養學、基因體學以及生物力學的重大突破。」另外,中國浙江大學的神經工程學家 Kedi Xu 也提出:「不難想像總有一天,我們能利用這項突破性的技術來重建部分人體的器官。」

(首圖來源:Flickr/Barry Peters CC BY 2.0) 

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