维度网讯，美国麻省理工学院（MIT）工程师开发出一种通过超声波刺激心脏的非侵入式起搏器，该设备设计为可佩戴在胸前的小贴片，未来或为传统心脏植入物提供无需手术的替代方案。

这款设备的核心是一枚邮票大小的贴片，其上的微型换能器可通过胸部发送超声波脉冲来刺激心脏。超声波会触发心脏细胞中特定离子通道的打开，研究人员通过基因工程放大了这一效应。当通道打开，钙离子进入细胞，信号促使心脏细胞收缩和跳动。在实验室实验中，研究人员对经工程化的人类心脏细胞施加超声波，发现脉冲有效维持了细胞的健康收缩。团队还在大鼠身上测试了超声波贴片，结果显示该设备能快速、安全且非侵入地纠正心律失常，恢复规律的心脏节律。

研究团队已制作出原型，包括超声波贴片及一个装有电池和电子设备的小型口袋设备。该小组此前曾展示过一种使用超声波对深层器官和组织成像的贴片设计，他们计划将两种方法整合到一块贴片中，以实现对心脏活动的同步监测与调控。

“我们相信未来可以在身体上贴贴片，实现长期深层体内成像，并以非侵入式闭环方式提供治疗性刺激，”麻省理工学院机械工程及土木与环境工程教授赵选贺（Xuanhe Zhao）表示。他与来自南加州大学（USC）教授周奇峰（Qifa Zhou）团队的合作者共同将研究成果发表在国际期刊《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）上。该研究的MIT合著者包括第一作者龚晨（Chen Gong）及李润泽（Runze Li）、宋元俊（Won Jun Song）、前博士后卢耿曦（Gengxi Lu）、李树聪（Shucong Li）、刘小川（Hsiao-Chuan Liu）等，合作者还包括来自哈佛大学、加州大学洛杉矶分校及南加州大学其他团队的研究人员。

目前美国约有300万成年人使用起搏器，这些植入式设备成熟且通常安全，但仍存在手术风险。“起搏器是最重要且广泛使用的人体植入物之一，拯救了数百万人的生命，”论文共同通讯作者卢耿曦说，“但它们是侵入性的，直接与跳动的心脏接触。多年来的梦想是通过超声波实现非侵入式心脏刺激。”科学家此前已发现超声波对心脏有作用，但效果不一致且较弱。赵选贺团队在研究中应用了声遗传学（sonogenetics）方法——借鉴光遗传学（optogenetics）通过基因操控细胞特定部分以响应光的技术，声遗传学旨在通过基因工程使细胞响应声音包括超声波。在开发起搏器的过程中，团队通过声遗传学提高心脏细胞对超声波的敏感性：采用标准方法从胚胎干细胞中分化出心脏细胞，再对其进行基因改造，使其产生更易响应超声波而打开的离子通道。

实验中，经基因工程改造的心脏细胞在暴露于超声波时会与波同步跳动，而未改造的细胞则无此反应。团队设想未来临床应用时，患者可能先接受一次性基因治疗注射（类似疫苗），以提高心脏细胞对超声波的敏感性。随后，团队设计了邮票大小的超声波起搏器贴片，其粘性层由水凝胶材料制成，可牢固粘附于皮肤并允许超声波无衰减通过，贴片内嵌有可调谐特定频率的微型超声波换能器。在大鼠实验中，研究人员先通过尾部注射给予声遗传学超声波增强溶液，再将微型起搏器贴片粘附于大鼠胸部。开启贴片后，超声波迅速调节了动物的心跳：心率过慢的个体恢复至正常速率，心律不齐的个体得到稳定，并与超声波脉冲保持同步。

“现在我们能用低强度超声波打开细胞中的离子通道，实现非常有效的心脏起搏，”第一作者龚晨说，“我们正在将这些贴片制作成更小尺寸并更集成化，使其更易佩戴、更稳定、更长期精确。”赵选贺教授补充说：“在这篇论文中，我们展示了非侵入式起搏。但我们认为这一概念不仅限于心脏。我们相信未来可以在身体不同部位贴贴片，实现长期成像、监测和闭环治疗性刺激。”

这项工作部分得到了美国国立卫生研究院、国家科学基金会、预防失明研究眼科部以及美国战争部的支持。

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