光学起搏器实验：用激光来控制果蝇的心脏

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显微镜台上，一只被麻醉的果蝇静静地躺在那里，它的翅膀被固定了在玻片上，再也无法挣扎。这时，科学家们用一束蓝色的激光照射在它的腹部…

激光并没有杀死果蝇。相反，激光以10次每秒的频率精确而有节奏的脉动，果蝇的心脏也随着激光的节奏进行10次每秒的精确同步跳动。科学家们已经发明了这种光学起搏器，并发表了这个研究。

标准的心脏起搏器最早在1950年被开发出来，它依赖于心脏是一种发电器官。自然状态下，每一次的心跳都是由电脉冲通过心肌细胞之间的传播产生的，心肌收缩并推动血液流经心脏到达全身。植入型电力起搏器利用电极来产生这一种稳定的电脉冲刺激心脏组织，来帮助那些无法正常跳动的心脏完成这一过程。

光学起搏器采用光脉冲作为替代信号来刺激心肌细胞，这种装置依赖于当下热门研究话题光遗传学(MIT研究人员发现莱茵衣藻眼点的光敏感通道受蓝光刺激打开和闭合。研究者将光敏感通道蛋白的表达基因提取出来同步到神经元上使其表达，然后就可以通过蓝光脉冲来控制神经元之间的交流)。研究者首先繁育了一组转基因果蝇，果蝇的心肌细胞中含有表达的光敏感蛋白。研究者用激光照射在果蝇身上，并使光脉冲能够透过外骨骼，以此来控制这些细胞。

里海大学生物工程副教授Chao Zhou解释，光刺激法具有一系列传统方法不具备的优点。电力起搏器必须通过手术方式植入，并且起搏器产生的电信号会影响其他无关的细胞。而Zhou的光遗传方法是无创的，并且只会刺激目标细胞。

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这并不是世界上的第一个光学起搏器。论文中提到已经有研究小组在斑马鱼和小鼠身上进行了类似的实验。但是在电话采访中，Zhou告诉IEEE Spectrum记者，在果蝇身上开发这种技术可以进一步进行其他新的心脏病学研究。对于斑马鱼来说，光刺激法只在其初期发育阶段有效，只有在这一阶段，光才能穿过斑马鱼的身体到达心肌细胞；对于小鼠，实验之前研究人员必须用手术方式打开小鼠的胸腔。“这种方法很刺激，就是对小鼠的创伤太大了，”Zhou说，“你就只能做一次实验。”

然而，如果实验对象是果蝇，Zhou的实验团队就可以无创伤地在果蝇的任意阶段刺激它们的心脏：从蛆到蛹到成虫。这样科学家可以在较长的时间里研究这一技术的影响。举个例子，对于那些有先天心脏病的果蝇，从幼虫阶段开始，科学家可以用光学起搏器使它们的心跳正常，这样就可以通过成虫来测试这种技术的优劣。“如果在幼虫阶段就保证稳定的起搏，可能就不会有什么问题，”Zhou说。“这只是个假设，但是我们的技术可以让研究者来做这个实验。”

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这个视频显示的是果蝇成虫在激光脉冲刺激下产生的正常心跳

在医学研究中，果蝇非常的有用，并且他们的基因与人类有80%的相似度，许多人类疾病都可以在果蝇身上找到。但是人们总会忍不住去问，光学起搏器在人身上会有用吗？

“在人身上做这个有很多的挑战，” Zhou说。最明显的阻碍就是如何在不手术植入光源的情况下，将光送达心肌细胞。Zhou的团队使用的激光并不会穿透人体，但Zhou指出近红外光可以穿透人体组织。理论上，可以在人的心肌细胞上添加对近红外线做出反应的蛋白，这样就可以通过一个外加设备进行刺激。但问题是这种光会在人体中散射，所以研究者需要开发出一种集中光束并把光投射到心脏上的方法。Zhou说：“这并不是不可能的。”

本文译自 IEEE Spectrum，由 焦盖盖 编辑发布。