根据公开数据，全球每年约有 100-140 万患者需要接受心脏起搏器植入。这些由电池供电的小型设备对于维持心脏节律至关重要。但传统的植入式起搏器因其侵入性而伴随着巨大的风险和并发症：手术创伤、感染风险、电极故障、电池更换需二次手术等风险。
近日，麻省理工学院（MIT）联合南加州大学（USC）团队在 Nature Biomedical Engineering 发表了最新研究成果，他们开发出了一种使用超声波的可穿戴无创起搏器。凭借声遗传学与超声技术的结合，实现了无需开刀，仅靠贴在胸口的便携设备，就能精准调控心脏节律，还能实时成像。
这项研究的通讯作者包括南加州大学周岐发教授和麻省理工学院机械工程系终身教授赵选贺。
周岐发教授长期致力于高频超声换能器设计、制造及其在医学成像与治疗中的应用研究。他领导的生物医学超声实验室在压电单晶材料、高分辨率超声成像系统及眼科超声应用方面取得了多项突破性成果，尤其在视网膜超声刺激恢复视力、可穿戴超声技术等领域处于领先地位。
赵选贺是国际著名的力学与材料科学家，现任 MIT 机械工程系终身教授。他的研究聚焦于软材料力学、仿生工程、生物力学及柔性电子等领域，尤其在开发具有革命性的软粘附材料、可拉伸水凝胶电子器件以及理解软物质和生物组织的力学行为方面作出了开创性贡献。
2024 年，双方曾合作开发了一款邮票大小的小型超声贴片——BAUS-E，可以贴在皮肤上，48 小时内持续监测大鼠的肝脏硬度变化，发现早期急性肝衰竭。还可以用于持续监测体内其他器官以及实体瘤。
基因疗法+超声波控制心跳
长期以来，科学家们一直在寻找比电刺激更“聪明”的方式来控制心脏。
过去十多年，光遗传学提供了一个令人兴奋的思路，通过基因工程让心肌细胞表达对光敏蛋白，然后用光照射这些细胞。利用特定波长的光照，科学家能够以毫秒级的时间精度精确操控细胞膜电位，实现对心脏电活动、钙离子瞬变及心肌收缩的高效、非侵入性远程调控。
但光遗传学有一个弱点：光无法穿透深层组织。可见光在生物组织中散射极强，几毫米到一厘米左右就衰减殆尽了。正因如此，尽管光遗传学在神经科学领域大放异彩，在心脏起搏领域却始终难以落地。
超声波的优势恰恰弥补了光的短板。它可以穿透十几厘米甚至更深的软组织，而且可以被聚焦到毫米级别的微小区域。临床上，超声早已广泛应用于心脏超声检查，安全性和穿透力都得到了充分验证。
但问题在于，正常的心肌细胞对超声波并不敏感。“我们通过大量老鼠实验发现，心肌细胞对超声刺激并不敏感，效果不如预期。”这项研究的第一作者巩臣告诉 DeepTech，他博士毕业于南加州大学生物医学工程专业，目前在麻省理工学院和波士顿儿童医院进行博士后研究。
为了解决这一问题，研究团队将重点放在了如何放大超声波对于心脏的影响。他们引入了“声遗传学”（sonogenetics），作为继光遗传学之后的新一代细胞调控技术，声遗传学的核心原理是通过基因工程手段，让特定细胞表达超声波敏感的离子通道，从而实现无创、精准的远程操控。
为了增强心脏细胞对超声的敏感性，研究人员选择了声遗传离子通道 MscL-G22S（由 mscL G22S 基因编码）作为“声控开关”。这是由香港理工大学孙雷教授团队提出的一个经过改造的突变体，对超声波的敏感性和响应速度都经过优化，非常适合用来调控心肌细胞的节律。
为了促进相关基因在心肌细胞中的富集表达，研究人员采用 AAV2/9 载体进行转导。AAV9 衣壳具有较强的心肌和骨骼肌转导倾向。同时，研究中使用心肌细胞选择性的 cTnT 启动子驱动目标基因表达，从而进一步限制基因表达的细胞类型范围，提高其在心肌细胞中的表达特异性。
“这种方法类似于打疫苗，可能每半年或一年注射一次增强针，所有刺激设备都在体外，用户或许可以每天或隔天充电，无需植入体内。”巩臣表示。
成像刺激双模式运行
为了让这一原理走上实用，团队打造了高度集成的可穿戴无创超声起搏器，可以在成像模式和刺激模式之间快速切换。
多年来，赵选贺团队一直在改良贴片粘性部位的材料，它不仅能牢固地贴合皮肤和各类材质，还能让超声波在不衰减的情况下穿透而过。2022 年，他领导的团队曾开发一种可穿戴超声贴片，其能够对人体内部器官和组织进行长达 48 小时的高质量连续医学成像。
在成像模式下，可穿戴超声起搏器可以实时获取心脏的超声图像。更重要的是，研究团队还集成了人工智能算法收集分析数据，系统据此判断：是否需要刺激、以及以多大强度进行刺激？
一旦决定起搏，可穿戴超声起搏器就切换到刺激模式。贴片上搭载的微型换能器可穿透胸腔发送超声波脉冲，以此刺激心脏。超声波能触发心肌细胞中特定离子通道的开放。当通道开启时，钙离子随之涌入细胞，向心肌细胞下达收缩跳动的信号。
为了证明这个系统的有效性和安全性，研究团队进行了一系列从体外到体内、从啮齿动物到大型动物的严谨实验。
在体外测试中，研究人员将超声波应用于经过基因改造的人类心肌细胞，发现当把细胞暴露于超声波下时，它们会随着声波的节奏同步跳动；而未经过基因改造的对照组细胞则没有这种反应。
随后，他们在大鼠模型上测试了这款超声波贴片，研究者通过静脉注射氯化钙诱导大鼠产生急性心律失常。结果显示，该设备能够快速、安全且无创地纠正心律失常，并使心脏恢复正常、规律地收缩；而未接受起搏的对照组大鼠，心律失常在整个观察期内持续存在，没有自发缓解。
此外，研究团队采用离体猪心模型开展验证，猪心的大小、组织结构与人类心脏高度相似，是评估无创起搏技术临床可行性的理想模型。实验结果显示，超声波穿透猪胸壁与心肌组织后，声压仍保持在 2MPa 以上，远超心肌起搏阈值，即便经过多层组织衰减，仍能实现有效起搏。
据悉，受测原型机目前使用类似于手机充电宝的标准便携式电池组，最长可运行约 8 小时。研究人员正致力于延长电池寿命，使系统更小巧、集成度更高，目标是实现舒适的长期穿戴。
由于超声波可以深入体内，而声遗传学可以针对特定的细胞类型，因此相同的方法也可用于其他器官。
1.Gong, C., Lu, G., Liu, B. et al. A wearable non-invasive sonogenetic pacemaker. Nat. Biomed. Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s41551-026-01673-z
运营/排版：何晨龙
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