一种有机人造心肌细胞

用柔性电子构建心脏细胞

每一次心跳都从心肌细胞内的一次微小电脉冲开始。医生和科学家常用计算机模型来研究这些脉冲，但计算机并不完全像真实组织那样工作。在这项工作中，研究人员制造了一种柔性电子器件，它表现得像人类心肌细胞，发出逼真的电性节律，甚至能响应活体心肌细胞的信号。这种有机人造心肌细胞可能为研究心律失常和用更类生物行为的硬件测试治疗方法开辟新途径。

一种新型的人造心脏细胞

研究团队的目标是构建一个物理替代体，用以代表心室肌细胞——驱动主要泵血腔室的主力细胞。真实的心室细胞会产生特征性的电波形：快速上升、短暂下凹、维持较长的平台期，然后缓慢回落至静息。这一波形对将电活动与肌肉收缩及健康节律相连接至关重要。研究者没有在计算机上模拟这一过程，而是使用有机电化学晶体管——可同时传导离子和电子的柔性器件——构造了一个“有机电化学心肌细胞”，能够实时再现这种波形。

电子心脏细胞的内部工作原理

该人造细胞的设计灵感来自描述心脏兴奋性的经典数学模型，模型说明了不同离子流如何组合以产生心搏的各个阶段。在器件中，一个小电容器扮演细胞膜的角色，而三个基于晶体管的模块分别模拟快速的钠离子流入、较慢的钙离子流入和延迟的钾离子流出。一个感测型反相器监测膜电压，一旦跨越阈值，便迅速开启一个充电通道，产生陡峭的上冲，类似真实细胞中的钠峰。另一个钾通道由于材料选择和额外电路元件而被延缓开启，随后放电膜电压，塑造下凹、平台期以及逐步回落到静息的过程。

调试与压力测试人造心搏

与真实心肌细胞类似，器件只有在接收到足够强度和持续时间的刺激时才会发出完整的心搏。过弱的脉冲只会产生小的振幅，而过强的脉冲则会阻止细胞复位。通过调整偏置电压，研究人员可以延长或缩短平台期，反映出动作电位持续时间在心脏不同区域的差异。该人造细胞还表现出逼真的不应期，在此期间第二次刺激无法触发完整心搏，从而防止持续收缩。以类似心率的连续起搏可产生稳定的心搏列车，在一小时内仅有适度漂移。

用盐与酸模拟疾病化学环境

心律在很大程度上依赖细胞周围的化学环境，包括盐浓度和酸碱度。团队探索了改变器件电解质中离子浓度与pH值如何改变其行为。提高钾浓度会增强放电电流并缩短电脉冲，类似于患者的高钾血症。降低钾浓度则相反，可能导致去极化延长或不稳定。使环境更酸性会减少通过钾通道材料的电流，同样延长脉冲，这对应于低氧时乳酸积累可能促发危险性心律失常的情形。

将活体心肌细胞与人造细胞连接

为了超越孤立的硬件研究，研究者在活体人源干细胞衍生心肌细胞与其人造对应物之间建立了桥接。他们通过在有机晶体管上直接培养一层跳动的心肌细胞，构建了一个“连接型反相器”。当生物细胞放电时，其电压变化会调制该晶体管，进而产生驱动人造心肌细胞的电脉冲。由此产生的人造心搏能够追踪活体细胞的时序与变异性，这表明此类器件不仅能镜像常规心律，也能反映疾病中出现的不规则模式。

为什么硬件心脏细胞很重要

综合来看，这项工作将长期存在的心脏兴奋理论转化为一种可触的柔性电子器件，其行为类似心室心肌细胞。由于它能自然响应盐度、pH值和生物输入，有机人造心肌细胞提供了一种研究心律失常、测试药物效应和原型化未来治疗设备的新途径，使用的硬件在时间尺度和信号形态上更接近真实组织。尽管将该技术转化为可植入系统仍需大量工程工作，未来这些人造细胞的网络可能模拟整片心肌，为研究人员探查细胞层面微小变化如何传导至整体节律紊乱提供帮助。

引用: Gao, D., Ji, J., De Prà, S. et al. An organic artificial cardiomyocyte. Nat Commun 17, 4181 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72584-5

关键词: 人造心肌细胞, 有机电子学, 心脏电生理, 离子通道, 心律