» 即將走入現(xiàn)實(shí)的組織工程器官 ——實(shí)驗(yàn)室是怎樣制造一個(gè)組織工程心臟的
上圖：要構(gòu)建一個(gè)新的心臟，研究人員首先要從捐獻(xiàn)心臟(左)上去除所有細(xì)胞，留下蛋白質(zhì)支架，然后注入新細(xì)胞(中)，新細(xì)胞在生長因子和機(jī)械刺激的影響下逐漸發(fā)育成熟(右)。下圖：一個(gè)經(jīng)過細(xì)胞解離的人類心臟，正在等候注入前細(xì)胞。
本報(bào)記者 常麗君 綜合外電
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人們對(duì)心臟的急需程度排在第三位，緊隨腎臟和肝臟之后。單在美國，每年就有大約3500人在排隊(duì)等候，這對(duì)器官移植和生物工程都提出了極大挑戰(zhàn)。隨著越來越多的人需要心臟移植，研究人員正努力通過組織工程，在實(shí)驗(yàn)室里培養(yǎng)出新的心臟來。這種工程心臟與目前的用鈦合金和塑膠制造的“人造心臟” 不同，它用的是病人自己的干細(xì)胞，不會(huì)被病人的免疫系統(tǒng)排斥，從而有望解決困擾全世界的移植器官的缺陷問題。
器官：從科幻到實(shí)驗(yàn)室
當(dāng)人們把多莉絲·泰勒叫做“弗蘭肯斯坦”時(shí)，她并沒有感到侮辱。“事實(shí)上，這對(duì)我而言更多的是恭維�！彼f，她的研究工作證明，人們正在接近這種可能性。泰勒是得克薩斯州心臟研究所再生醫(yī)學(xué)研究部主管。
《弗蘭肯斯坦》是英國詩人雪萊的妻子瑪麗·雪萊的科幻小說�！案ヌm肯斯坦”是小說中一位瘋狂科學(xué)家，他用許多碎尸塊拼接成一個(gè)“人”，并用電將其激活。這個(gè)“人造人”心地善良、樂于助人卻奇丑無比，最終因得不到社會(huì)的理解和同情而成為一個(gè)社會(huì)秩序的破壞者。
泰勒不得不承認(rèn)，她和那位瘋狂的科學(xué)家確有一比：她也會(huì)經(jīng)常從剛死的人身上摘下器官，如心臟和肺，從細(xì)胞開始對(duì)其進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，試圖讓這些器官恢復(fù)生命，在活人體內(nèi)重新跳動(dòng)或呼吸。
組織工程領(lǐng)域的科學(xué)家希望造出全新的器官，用于移植而沒有免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)。泰勒是這些人中的先鋒。這種方法理論上很簡單：首先從一個(gè)已死亡的器官上清除所有細(xì)胞——不一定非要是人的器官——然后把蛋白質(zhì)支架留下來，重新放入與病人的免疫系統(tǒng)兼容的干細(xì)胞。
然而實(shí)際操作起來，這一過程卻面臨著諸多挑戰(zhàn)。研究人員在培養(yǎng)和移植氣管、膀胱等相對(duì)簡單的空腔類器官方面，已經(jīng)取得一些成功；但在培養(yǎng)實(shí)心器官時(shí)，如腎臟、肺等，這些器官要取得十幾種類型的細(xì)胞，再把它們放到合適位置，同時(shí)還要培養(yǎng)出完整的血管網(wǎng)來維持它們生存。新器官必須是無菌的，如果接受它的病人很年輕，它還要能繼續(xù)生長，至少在表面上，它要能自我修復(fù)。最重要的是，它們必須能發(fā)揮功用——最理想的，當(dāng)然是能工作一輩子。
心臟必須能持之以恒地跳動(dòng)，每天泵出約7000升的血液，也沒有可替換的備用品。心臟由心房、心室和瓣膜等多種不同類型的、專門化的心肌細(xì)胞構(gòu)成。捐獻(xiàn)的心臟則缺少這些，因?yàn)樗鼈兺ǔ?huì)因疾病、復(fù)蘇措施等而被損壞，所以，如果能通過生物工程，穩(wěn)定地供給在實(shí)驗(yàn)室培育出來的器官，將是極受歡迎的。
在制造小鼠心臟方面，泰勒曾領(lǐng)導(dǎo)過一些成功的實(shí)驗(yàn)，因此她對(duì)組織工程中的這一最終挑戰(zhàn)充滿了樂觀：“我認(rèn)為這是切實(shí)可行的，但我并不認(rèn)為這是簡單的�！彼囊恍┩袆t不那么樂觀�？_萊納州斯德哥爾摩研究所胸腔外科醫(yī)師保羅·邁克奇阿里尼曾給一些病人移植過利用生物工程技術(shù)制造的氣管。他認(rèn)為，雖然在替換管狀器官，如氣管、動(dòng)脈、食管等方面，組織工程可能成為一種常規(guī)手段，但對(duì)那些更復(fù)雜器官來說，情況卻未必如此。
然而，就算這些嘗試可能會(huì)失敗，所付出的努力依然值得。賓夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)外科醫(yī)生兼研究員亞利揚(yáng)德羅·索圖-古特里茲說：“除了夢想制造移植器官以外，我們能從這些系統(tǒng)中學(xué)到很多東西。”比如更好地理解心臟中的細(xì)胞組織、發(fā)現(xiàn)修護(hù)心臟的新方法等。
支架：清理舊房變新居
10多年來，生物學(xué)家一直在努力，想在培養(yǎng)皿中把胚胎干細(xì)胞轉(zhuǎn)變成會(huì)跳動(dòng)的心肌細(xì)胞。再用一個(gè)外接的小型電動(dòng)起搏器，讓這些工程心臟細(xì)胞開始起步，并維持同步跳動(dòng)幾個(gè)小時(shí)。但要把培養(yǎng)皿中一團(tuán)抽搐的細(xì)胞變成工作的心臟，還需要一個(gè)支架，才能把細(xì)胞有組織地排成一個(gè)三維物體。
或許最終，人們能用三維打印技術(shù)造出這種結(jié)構(gòu)，就像今年初演示的人造氣管那樣。然而在可預(yù)見的將來，即使用最尖端的機(jī)器，也“打印”不出人類心臟這么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尤其是那些錯(cuò)綜復(fù)雜的毛細(xì)血管網(wǎng)。心臟需要毛細(xì)血管網(wǎng)來供給氧氣和營養(yǎng)，并運(yùn)走深層細(xì)胞所產(chǎn)生的廢物�！把芊植际侵饕奶魬�(zhàn)�！� 北卡羅萊納州威克森林大學(xué)泌尿科醫(yī)師安東尼·埃特拉說。他給病人移植過生物工程制造的膀胱，目前正致力于培養(yǎng)腎臟。
對(duì)于未來的“心臟制造師”而言，主要技術(shù)就是再次利用生物以往造出來的那些東西。馬薩諸塞州總醫(yī)院外科醫(yī)生、再生醫(yī)學(xué)研究員哈拉爾德·奧特演示了一種他開發(fā)出來的方法，泰勒也在實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)這種方法。
在一個(gè)玻璃和塑料制成的像鼓似的容器中，幾根塑料管子懸著一個(gè)新鮮的人類心臟。附近有一個(gè)泵，通過一根管子把清洗液安靜地輸送到心臟的主動(dòng)脈中。當(dāng)液流壓迫使主動(dòng)脈瓣閉合時(shí)，清洗液就被送往整個(gè)血管網(wǎng)。這些血管網(wǎng)曾經(jīng)滋養(yǎng)著心肌細(xì)胞，直到它們的主人在幾天前去世。奧特解釋說，整個(gè)過程大約需要一個(gè)星期，清洗液就會(huì)除掉脂類、DNA、可溶蛋白、糖和幾乎所有心臟產(chǎn)生的其他細(xì)胞物質(zhì)，只留下一堆由膠原蛋白、層粘連蛋白及其他結(jié)構(gòu)蛋白組成的網(wǎng)孔：這就是曾把一堆細(xì)胞排列成一個(gè)器官的“細(xì)胞外基質(zhì)”。
用作支架的心臟不一定非要是人類的，豬的心臟也很有前景：它們包含了細(xì)胞外基質(zhì)的所有關(guān)鍵成分，而且不大可能攜帶人類疾病，罕有因疾病或復(fù)蘇術(shù)而被削弱的�！柏i的組織比人類的更安全，幾乎可以無限供給�！逼テ澅ご髮W(xué)再生醫(yī)學(xué)研究員斯蒂芬·巴蒂萊克說。
但復(fù)雜的是怎樣確保清洗液所溶解的材料數(shù)量剛剛好。奧特說，如果去除的太少，基質(zhì)中可能會(huì)殘留一些細(xì)胞表面分子，而這可能引起接受者免疫系統(tǒng)的排斥；去除得太多，可能會(huì)失去了關(guān)鍵蛋白和生長因子，而這些蛋白和生長因子會(huì)告訴“新來的”細(xì)胞該黏附在哪里，該怎樣做等�！叭绻阌靡环N更溫和的載體和壽命期更短的框架，可能會(huì)使器官改變形狀�！蓖旭R斯·吉爾伯特說。他在馬里蘭州哥倫比亞一家名為ACell的公司從事細(xì)胞分解研究，為再生醫(yī)學(xué)生產(chǎn)細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)品。
通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，研究人員在數(shù)百個(gè)心臟及其他器官上按比例增加清洗液的濃度、時(shí)間和壓力，改進(jìn)了這一細(xì)胞分解過程。這可能是“器官生產(chǎn)事業(yè)”發(fā)展得最好的階段，但這只是第一步。下一步，就是請(qǐng)人類細(xì)胞來“入住”支架了。
細(xì)胞：入住新居問題多
“重新細(xì)胞化”也帶來了大量難題，伊利諾斯州西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院外科醫(yī)師詹森·沃特海姆說：“第一，我們要用什么細(xì)胞？第二，要用多少細(xì)胞？第三，該用成熟細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞還是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS細(xì)胞)？最佳的細(xì)胞來源是什么？”
退一步來說，即使是用成熟細(xì)胞，情況也很復(fù)雜的�！澳悴豢赡艿玫揭粋�(gè)成人的心臟拿來培養(yǎng)擴(kuò)增，”泰勒說，“如果能的話，根本就不會(huì)有這次談話了�！薄绻麚p壞的心臟可以自行修復(fù)，也就無需心臟移植了。
大部分研究人員是用兩種或更多種細(xì)胞混合，比如用內(nèi)皮前細(xì)胞排列成血管，用肌前細(xì)胞生成房室壁。奧特則通過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞來獲取這些細(xì)胞。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞是利用生長因子將成熟細(xì)胞重新編程，使其返回到類似于胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)。成熟細(xì)胞可以從將要接受器官的病人身上取得，這樣制造的器官就能和病人的免疫系統(tǒng)相配。
從理論上說，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞法能為病人提供一個(gè)新的心臟，擁有全部的細(xì)胞類型，包括血管細(xì)胞和多種心肌細(xì)胞。但實(shí)際上，操作起來卻會(huì)陷入麻煩。問題之一就是心臟的大小。這一數(shù)字的重要性被大大低估了，奧特說，“它意味著要準(zhǔn)備100萬個(gè)細(xì)胞，1億個(gè)細(xì)胞，還是500億個(gè)細(xì)胞？”當(dāng)在一個(gè)成熟的心臟支架上，把誘導(dǎo)多能干細(xì)胞重新變成胚胎再次發(fā)育時(shí)，研究人員也不能確定各類細(xì)胞是否長勢良好。
當(dāng)新細(xì)胞在支架上“入住”后，一些未成熟細(xì)胞會(huì)定植并開始生長。但要讓它們變成功能健全、跳動(dòng)的心臟，需要的不僅僅是氧化媒介和生長因子。 “細(xì)胞能感知它們周圍的環(huán)境，它們不僅能感知生長因子，還能感知軟硬和機(jī)械壓力�！泵髂崽K達(dá)州立大學(xué)的安吉拉·帕諾斯卡蒂斯-莫塔里說，這種感知能力會(huì)驅(qū)使細(xì)胞按合適的發(fā)育路徑生長。他正致力于培養(yǎng)出移植用的組織工程肺。
因此來說，研究人員必須把心臟放在一個(gè)生物反應(yīng)器中，模擬跳動(dòng)的感覺。奧特的生物反應(yīng)器是結(jié)合了電信號(hào)(類似于起搏器)，幫助那些在支架上定植的跳動(dòng)著的心肌細(xì)胞，使它們跳動(dòng)的頻率和由一個(gè)泵引發(fā)的生理跳動(dòng)節(jié)律同步化。但在模仿人體條件這方面，研究人員面臨著一場持久戰(zhàn)，比如心律與血壓的變化、使用藥物等�！吧眢w對(duì)事物和條件變化的反應(yīng)是如此迅速，要在一個(gè)生物反應(yīng)器中模仿它幾乎是不可能的�！卑偷偃R克說。
泰勒和奧特首次開發(fā)出了生物反應(yīng)器，當(dāng)時(shí)是用小鼠的心臟進(jìn)行細(xì)胞分解與重新入住。經(jīng)過在生物反應(yīng)器中呆了8天到10天后，那個(gè)心臟終于能自己跳動(dòng)了，還產(chǎn)生了大約相當(dāng)于一個(gè)正常成年小鼠心臟的2%的泵流量。泰勒說，到目前為止，她已經(jīng)讓取自小鼠和更大動(dòng)物的心臟達(dá)到了正常泵流量的25%，雖然她尚未公布這一數(shù)字。她和奧特相信，他們走的道路是正確的。
跳動(dòng)：最后挑戰(zhàn)未圓滿
最后的難題也是一個(gè)最大的挑戰(zhàn)：把一個(gè)新培養(yǎng)出來的工程心臟放入一個(gè)活動(dòng)物體內(nèi)，并讓它長期跳動(dòng)。
血管系統(tǒng)的完整健全是第一道障礙。細(xì)胞外基質(zhì)是滋養(yǎng)心臟細(xì)胞的基礎(chǔ)，任何一小點(diǎn)的裸露凝結(jié)對(duì)整個(gè)器官或動(dòng)物本身來說，都可能是致命的。“你需要的是一個(gè)非常完好的、排列著每一種血管的內(nèi)皮，否則就會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)或漏損�！奔獱柌卣f。
奧特曾演示過工程器官能存活一段時(shí)間。他的研究小組曾經(jīng)給小鼠移植過一個(gè)生物工程肺，顯示了這個(gè)肺能支持動(dòng)物的氣體交換，但氣體空間很快就被液體所充滿。今年初，奧特小組還報(bào)告移植了一個(gè)小鼠的工程腎臟，存活下來且沒有凝結(jié)，但它過濾尿液的能力還很小，可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)過程中產(chǎn)生的細(xì)胞類型不夠，未能滿足腎臟正常功能的需要。
奧特小組還和其他研究人員一起，把重新構(gòu)造的心臟移植到小鼠體內(nèi)，通常是在脖子、腹部或小鼠自己的心臟旁邊。雖然他們能用血液養(yǎng)育心臟，并使其跳動(dòng)一段時(shí)間，卻還沒有一個(gè)心臟能支持泵血功能。而且，他們?nèi)绻褜?shí)驗(yàn)室制造的心臟移植到比小鼠更大的動(dòng)物體內(nèi)，還要證明該心臟有更強(qiáng)的功能。
因?yàn)檫@是個(gè)心臟，“你必須一開始就能運(yùn)行良好，從移植那一刻開始。你不可能用一個(gè)泵流量僅有正常心臟1%或5%的工程心臟，然后看看有什么差異”，再提出一個(gè)參考的泵血效率值，這里能允許的誤差空間非常小，巴蒂萊克說�！拔覀冞�只是剛剛起步，”帕諾斯卡蒂斯-莫塔里說，“我們目前的處境，就像10年前人們面對(duì)心臟移植。”
奧特及其他研究人員用細(xì)胞分解法來培育心臟，這已經(jīng)預(yù)示了以組織為基礎(chǔ)的瓣膜、部分心臟及其他器官的改良和發(fā)展。比如，一個(gè)生物工程瓣膜可能會(huì)比機(jī)械的或死亡組織的瓣膜工作更長時(shí)間，因?yàn)樗鼈冇泻筒∪艘黄鸪砷L、自我修復(fù)的潛能。其他器官可能不需要完全替換�！叭绻谙聜�(gè)5年到7年內(nèi)，你還沒看到醫(yī)學(xué)已能移植至少一部分動(dòng)脈、肺葉或肝葉，那我才會(huì)感到吃驚�！卑偷偃R克說。
據(jù)泰勒推測，采用部分替換的方法可能會(huì)幫助那些有嚴(yán)重心臟缺陷的病人，如左心發(fā)育不全綜合征患者，這種病是有一半心臟嚴(yán)重發(fā)育不全。要恢復(fù)那一半，她說，“從根本上迫使你去構(gòu)建所需要的部分�！�
所有這些付出的努力，都能為人們提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，推動(dòng)心臟細(xì)胞療法的發(fā)展。比如，研究人員正在學(xué)習(xí)怎樣才能讓心臟細(xì)胞在三維空間里發(fā)育良好，并發(fā)揮出本身作用。將來，部分支架，不管是人造的還是來自尸體的，都能讓新細(xì)胞在心臟受損部位“安家落戶”，像補(bǔ)丁那樣修復(fù)它。
《科技日?qǐng)?bào)》(2013-08-13 八版)
(中國科技網(wǎng))
http://www.stdaily.com/stdaily/content/2013-08/13/content_633345.htm
網(wǎng)友評(píng)論2013-08-13 09:14
頂頂~~~~
網(wǎng)友評(píng)論2013-08-13 09:20
