美国麻省理工学院（MIT）工程团队近日宣布，成功研发出一种基于超声波的非侵入式心脏起搏器原型。该设备以小型贴片形式佩戴于胸部，利用聚焦声波刺激心脏跳动，旨在为传统植入式心脏起搏器提供一种无需手术的替代方案。这一突破标志着声遗传学（Sonogenetics）技术在心血管医疗领域的重大应用进展，可能在未来改变数百万心律失常患者的治疗方式。
声遗传技术增强心脏细胞超声敏感性
传统的心脏起搏器通过导线将电极植入心脏内部或表面，释放电信号以调节心率。该技术已挽救了数百万生命，但其侵入性特性带来了感染、出血及长期异物反应等风险。麻省理工学院机械与土木工程教授赵轩和（Xuanhe Zhao）指出，多年来医学界一直梦想实现非侵入式的心脏刺激，而超声波因其良好的组织穿透性和安全性成为理想选择。
此前动物实验表明，聚焦超声波激活心脏细胞的效果往往不一致且微弱。为了解决这一难题，研究团队引入了声遗传学技术。这是一种类似光遗传学的基因工程方法，通过基因改造使特定细胞对声波产生响应。在实验中，研究人员从胚胎干细胞中培育出人类心肌细胞，并对其进行基因修饰，使其表达对超声波更敏感的离子通道。这些经过改造的离子通道能够“听到”超声波，并在声波作用下迅速打开，允许钙离子流入细胞内。钙离子的流入直接触发心肌细胞的收缩，从而实现心脏跳动。
实验室测试显示，当暴露于超声波时，经过基因工程处理的心肌细胞能够与声波同步跳动，而未进行基因修饰的细胞则无此反应。这种机制不仅提高了刺激的效率，还确保了起搏过程的性。研究团队认为，这一发现为开发高效、安全的非侵入式心脏调控设备奠定了生物学基础。
邮票大小贴片实现实时心律矫正
在硬件设计方面，团队制作了一个包含超声贴片和口袋大小控制单元的 prototypes。超声贴片仅约邮票大小，内部嵌有微型换能器，能够发射特定频率的超声波。贴片的粘性部分由水凝胶材料制成，这种材料经过多年优化，既能牢固附着于皮肤，又不会削弱超声波的传播效率。换能器产生的超声波可以穿透胸腔，精准作用于心脏组织。
在针对大鼠的实验验证中，研究人员通过尾部注射一种增强超声敏感性的声遗传溶液，随后将微型起搏贴片贴附于大鼠胸部。启动贴片后，超声波迅速调节了动物的心律。对于心率过慢的大鼠，设备将其心率提升至正常范围；而对于心律不齐的大鼠，设备则使其心跳恢复规律，与超声波的“滴答”声保持同步。实验结果表明，该装置能够以低强度超声波安全、快速地纠正心律失常。
第一作者龚晨（Chen Gong）表示，目前团队正在将贴片设计得更小、更集成化，以提高佩戴的舒适度和长期使用的稳定性与准确性。这种非侵入式闭环刺激方式不于心脏治疗，未来还可能应用于身体其他部位的长期成像和监测。
基因疗法注射或成临床应用关键步骤
对于该技术的临床转化路径，研究团队设想患者需接受一次类似疫苗接种的基因疗法注射。这种一次性注射旨在增强心肌细胞对起搏器超声波的敏感性，使其具备响应外部声波刺激的能力。目前，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准某些基因疗法用于治疗镰状细胞病和脊髓性肌萎缩症等遗传性疾病，这为非侵入式起搏器的临床可行性提供了监管层面的参考依据。
该研究成果已发表在《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）期刊上。除了麻省理工学院的研究人员外，南加州大学周启发教授团队、哈佛大学、加州大学洛杉矶分校等机构的研究人员也参与了合作。研究经费部分来自美国国立卫生研究院、国家科学基金会以及美国国防部等机构的支持。
从行业视角来看，这一技术突破展示了生物材料与声学工程交叉融合的潜力。对于中国医疗器械企业而言，非侵入式心脏治疗设备是未来高端医疗装备的重要赛道。基因疗法注射环节涉及复杂的监管审批和伦理考量，但超声贴片本身的制造、信号控制算法及水凝胶材料研发，与中国在柔性电子和生物材料领域的优势高度契合。国内企业可重点关注贴片的小型化集成技术、长期佩戴的生物相容性优化以及超声聚焦算法的精准度提升，以抢占非侵入式心血管介入治疗的市场先机。