人間の心臓細胞から作られたロボット魚は本物の魚よりも速く泳ぐ。ハーバード大学の新しい研究がサイエンス誌に掲載される。

心臓ペースメーカーの正確なメカニズムはわかっていませんが、この物理的プロセスを再現する「心臓」を私たち自身で構築することはできるのでしょうか?すでにそれを行っている科学者もいます。

今日の主役は元気いっぱいの「魚」たち。

魚はブドウ糖と塩の溶液の中で泳ぎ回り、尾を左右にリズミカルに動かしていた。信じられないかもしれませんが、この揺れは人間の心臓の鼓動の力から生まれています。

これはハーバード大学とエモリー大学の科学者が開発した「合成魚」装置です。生きた心筋細胞（ヒト幹細胞から培養）で構成されており、100日以上連続して泳ぐことができます。この研究はトップクラスの学術誌「サイエンス」に掲載された。

論文アドレス: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh0474

この人工魚の創造は、人間の心臓の2つの重要な調節特性に基づいています。(1)心臓は意識的な入力なしに自発的に機能する(自動性)、(2)情報伝達は機械的な動きによって開始される(メカトロニクス信号)。

この研究から得られた教訓は、研究者が心臓病をより詳細に研究するのに役立つ可能性がある。ハーバード大学の生物工学者で論文の著者の一人であるケビン・キット・パーカー氏は、「この研究の最終目標は、子どもたちの奇形心臓に代わる人工心臓を作ることだ」と語った。

見た目も心臓のように見えるものを作るのは比較的簡単ですが、実際に心臓のように機能するモデルを作るのは難しい課題です。くねくねと動く魚のようなロボットは、その目標に向けた大きな一歩であり、ラットの心筋細胞を使用した2つの先行研究（1つは人工クラゲの作成、もう1つはサイボーグアカエイの作成）を基にしている。

「プレイドーで模型のハートを作れるからといって、実際にハートを作れるわけではない」とパーカー氏は言う。他の細胞を培養するのは比較的簡単ですが、人間の生涯で10億回以上鼓動するシステムの物理的性質を再現するように他の細胞を設計することは不可能です。

これは、この課題の重要な問題でもあります。人間の心臓細胞を使った人工魚の研究は、この問題に突破口を開くことを目指している。

心臓細胞から作られた「魚」はどのような見た目をしているのでしょうか？

まず、この人工魚の構造を見てみましょう。

設計の面では、まず、この魚は尾びれの両側に 1 つずつ、二重の筋細胞層を持っています。片側が収縮すると、反対側が伸び、機械的な動きに敏感なイオンチャネルが開き、帯電イオンが流入してその側が収縮します。

全体として、この魚は 73,000 個の生きた心筋細胞 (CM) で構成されており、ハイドロゲル紙複合体の全長は 14 mm、総質量は 25.0 mg で、そのうち 0.36 mg が筋肉質量です。

下の画像は魚の 5 層の体構造を詳しく示しています。ひれの片側が引っ込むと、もう片側が伸びて、自立した泳ぎの動きが生まれます。

一方、研究者らは、通常のペースメーカーと同様に自律収縮の頻度とリズムを制御する「自律ペーシングノード」、いわゆるGノードも設計した。 2 層の筋肉と自律的なペースメーカー ノードを組み合わせることで、継続的かつ自発的で協調的なヒレの前後運動を生成でき、魚が 100 日以上泳ぐための動力を得ることができます。

研究者たちは、人工魚の自発的な拮抗筋収縮を考慮して、この自発的な動きが長期的なパフォーマンスを向上させることができるかどうかを調査した。結果は、合成魚が最大108日間、つまり3,800万回のジャンプに相当する自律運動を維持したことを示した。比較すると、サイボーグエイはわずか 6 日間しか持続せず、骨格筋ベースの合成アクチュエータは 7 日間持続しました。

下の図 5A は合成魚の軌跡 (グリッド 1 cm) を示しています。5B は、拮抗収縮が 79% の 108 日齢の合成魚の尾の振り角度を示しています。5C は、108 日齢の合成魚の遊泳性能を示しています。二重の筋肉細胞を備えた人工魚は、最初の1か月で収縮振幅、最大遊泳速度、筋肉協調性が向上し、そのパフォーマンスを108日間維持しました。

これはまた、他の生物ロボットとは異なり、この合成魚の性能は年齢を重ねるにつれて向上し続けることを意味します。心筋細胞が成熟するにつれ、魚の筋肉収縮力、最大遊泳速度、筋肉協調性はすべて最初の 1 か月で向上し、最終的には野生のゼブラフィッシュと同等の速度と効率に達します。

具体的には、合成魚の遊泳速度（15.0 mm/s）は、従来のバイオハイブリッド筋肉システムを上回りました。この速度はサイボーグエイの 5 ～ 27 倍であり、バイオハイブリッド システムの開発におけるフィードバック メカニズムの重要性を浮き彫りにしています。また、合成魚とサイボーグアカエイのそれぞれの筋肉量と体重の比率を考慮すると、合成魚は筋肉量当たりではサイボーグアカエイより1桁速く泳ぐことができ、サイボーグアカエイの最高速度の13倍となる。

下の図 4 は、さまざまなバイオミックス「魚」と野生魚の最大遊泳速度の比較です。この人工魚の最高速度は、ゼブラフィッシュの幼魚やホワイトモリーの最高速度を上回っていることがわかります。

今後の展望

「心臓の2層の筋肉間の機械電気信号を利用することで、反対側の伸張に対する反応として自動的に収縮が起こるサイクルを再現した」とハーバード大学の生物工学者で論文の共同筆頭著者であるキール・ヨン・リー氏は述べた。 「この結果は、心臓などの筋肉ポンプにおけるフィードバック機構の役割を実証している。」

研究者らはまた、ペースメーカーのようなシステムをバイオハイブリッドに統合し、運動の頻度と協調を制御できる独立した細胞クラスターを作成した。

「これら2つの体内ペースメーカー機構のおかげで、魚はより長く生き、より速く動き、より効率的に泳ぐことができる」と、論文の共同筆頭著者であり、ジョージア工科大学とエモリー大学のウォレス・H・コールター生物医学工学部の助教授であるソンジン・パーク氏は述べた。

サイボーグ魚の組織全体の収縮は、モデルとなったゼブラフィッシュの収縮に匹敵し、純粋に機械的なロボットシステムよりも効率的に前進することができる。

「心臓組織を設計図として使った研究とは異なり、私たちは心臓を動かす主要な生物物理学的原理を特定し、それを設計基準として使い、生きた泳ぐ『魚』というシステムでそれを再現しました。これにより、成功したかどうかを確認しやすくなりました。 「パク・ソンジンは言った。

「この研究がうまくいけば、実際の動物の心臓から分離された一次細胞が2～4週間生存し、さらには小動物の一生にまで増殖する可能性があるという事実は驚くべきことだ」とロンドン大学キングス・カレッジのマティアス・ガウテル氏は語った。

将来的には、研究チームは人間の心臓細胞を使ったより複雑なバイオハイブリッドデバイスを開発する予定だ。