全球每年约有 100 万至 140 万患者需植入心脏起搏器。传统植入式设备虽能维持心脏节律，但伴随手术创伤、感染、电极故障及二次更换手术等风险。近日，麻省理工学院（MIT）与南加州大学（USC）联合团队在《Nature Biomedical Engineering》发表最新成果，研发出一款基于“声遗传学”的可穿戴无创起搏器。该设备无需开刀，仅通过贴附于胸口的便携装置，即可利用超声波精准调控心脏节律并实现实时成像。
该项研究的通讯作者为南加州大学教授周岐发与麻省理工学院终身教授赵选贺。周岐发团队在生物医学超声、压电单晶材料及可穿戴超声技术领域处于国际领先地位；赵选贺团队则专注于软材料力学、仿生工程及柔性电子器件。双方曾于 2024 年合作开发出邮票大小的 BAUS-E 超声贴片，成功实现了对大鼠肝脏硬度及实体瘤的持续监测。
图 | 周岐发（左）和赵选贺（来源：学校官网）
基因疗法结合超声波：突破传统起搏局限
长期以来，科学家致力于寻找比电刺激更精准的细胞调控方式。光遗传学虽能通过光敏蛋白以毫秒级精度操控细胞，但可见光难以穿透深层组织，限制了其在心脏领域的应用。相比之下，超声波具备优异的软组织穿透力（可达十几厘米）及毫米级聚焦能力，且临床安全性已获充分验证。
针对正常心肌细胞对超声波不敏感的问题，研究团队引入“声遗传学”技术。该技术通过基因工程手段，使特定细胞表达超声波敏感的离子通道，从而实现无创远程操控。团队选用由香港理工大学孙雷教授团队优化的突变体离子通道 MscL-G22S 作为“声控开关”，并利用具有心肌趋向性的 AAV2/9 载体及 cTnT 启动子，确保目标基因在心肌细胞中特异性高表达。
研究人员表示，该方案类似疫苗接种，患者可能仅需每半年或一年注射一次增强针，所有刺激设备均置于体外，用户可定期充电，彻底避免了体内植入带来的风险。
成像与刺激双模切换：AI 赋能精准治疗
为实现临床应用，团队打造了高度集成的可穿戴系统，支持“成像模式”与“刺激模式”的快速切换。依托赵选贺团队开发的新型软粘附材料，该贴片不仅能牢固贴合皮肤，还能保证超声波无衰减穿透。
图 | 可穿戴起搏器系统的概述与机制（来源：上述论文）
在成像模式下，设备实时获取心脏超声图像，并结合内置 AI 算法分析数据，自动判断是否需要干预及最佳刺激强度。一旦确认为心律失常，系统即刻切换至刺激模式。贴片上的微型换能器发射超声脉冲，触发心肌细胞内的 MscL-G22S 通道开放，诱导钙离子内流，从而驱动心肌收缩，恢复规律心跳。
多模型验证：从啮齿动物到大型动物
研究团队通过体外细胞、大鼠活体及离体猪心模型，层层验证了该系统的有效性与安全性。
图 | 可穿戴超声起搏器在临床应用中的可行性研究（来源：上述论文）
体外实验显示，经基因改造的人类心肌细胞在超声照射下能同步跳动，而对照组无反应。在大鼠急性心律失常模型中，该设备成功无创纠正心律异常，使心脏恢复规律收缩。在更接近人类心脏结构的离体猪心实验中，超声波穿透胸壁与心肌后，声压仍保持在 2MPa 以上，远超起搏阈值，证实了其临床转化潜力。
目前原型机采用便携式电池组，续航约 8 小时。团队正致力于提升电池寿命并缩小设备体积，以实现长期舒适穿戴。鉴于超声波的深部穿透能力及声遗传学的靶向性，该技术未来有望扩展至其他器官的无创调控。
参考链接：
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