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Nature：如何用生物工程制造完整的人体心脏

2013.7.05

　　当人们称Doris Taylor为弗兰肯斯坦博士(“弗兰肯斯坦”是小说中一个疯狂科学家的名字，他用许多碎尸块拼接成一个“人”，并用闪电将其激活)的时候，她并没有把这当作是一种调侃。“实际上，这是对我非常大的赞美。”她说。在休斯敦得克萨斯心脏研究所从事再生医学研究工作的Doris Taylor认为，小说中的部分情节不是不可能做到的。当她收到刚死去的死者器官例如心脏和肺时，就着手从细胞开始进行重建并尝试让这些器官复活，希望它们有朝一日能重新跳动或者呼吸。

研究人体器官制造的先锋Doris Taylor博士

　　Taylor 是研究人体器官制造的先锋，如果这个设想成为现实，则可以降低器官移植接受者排异反应的风险。其实这是一个非常简单的原理。首先，去除死者器官上所有的细胞(这里的死者器官甚至可以不是来源于人体的)只留下蛋白支架，然后根据患者的免疫系统匹配相应的干细胞重新填充。这样一来，世界各地的移植器官短缺问题就轻松得到了解决。

　　然而在实践中，这个看似简单的工作却承受着巨大的挑战。研究人员已经在培养和移植一些简单的“空心”器官(例如气管和膀胱)上获得了成功。但是 “实心”器官如肾脏或肺，则需要几十种类型的细胞找到正确的位置进行增殖，同时铺设血管网络来维持自身生存。新的器官必须是无菌的，能够成长的，如果病人年轻，至少在理论上是可以进行自我修复的。最重要的是，研究者的理想状态是，这些器官可以使用一辈子。心脏是除肾脏和肝脏外最需求量最高的器官，仅在美国就有大约3500名患者在等待合适的心脏，但心脏捐献者非常少见，因为心脏经常会因为疾病或在复苏过程中受损，所以通过生物工程方法提供器官的稳定来源将受到医学界的欢迎。

　　Taylor曾成功的制造了大鼠心脏，“我认为，这是完全可行的，”她随后她补充道：“但是我不认为这很简单。”她的一些同事对此抱有的态度不太乐观。斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的胸外科专家Paolo Macchiarini已经将生物工程气管移植到几个病人体内，他表示虽然生物工程可能制造常规的管状器官如气管、动脉和食道，但是他对于建造更复杂的器官没有信心。

　　然而，即使失败，这样的努力也是值得的，宾夕法尼亚州匹兹堡大学的研究者Alejandro Soto-Gutiérrez说：“除了器官移植的梦想，我们还可以从中学到很多，” 包括更好地了解心脏细胞的组织方式，或者是修复心脏损伤的新办法。

　　搭建心脏的“脚手架”

　　生物学家在十余年前就已经能在培养皿中把胚胎干细胞分化为跳动的心肌细胞。只要外施一点电流起搏，这些工程心脏细胞就可以保持跳动达几小时。

　　但是要把这些培养皿中的细胞构建成一个心脏，需要首先构架一个心脏三维空间“脚手架”。因为已有立体人工气管的成功，研究人员认为我们能够创造出这样的结构。然而，在可预见的将来，心脏结构的复杂程度还是让人鞭长莫及，特别是为心脏提供氧气和排除废物的毛细血管，其网络结构是极其繁复的。曾移植过生物工程膀胱的北卡罗莱纳州维克森林大学的Anthony Atala说：“血管的分布是主要挑战”。

　　目前，心脏制造技术的相关研究已经在波士顿马萨诸塞州总医院展开。外科医生和再生医学研究员Harald Ott已经找到了一个构建心脏支架的新方法。

　　用玻璃和塑料制造一个鼓形的腔室，外接一个塑料管，里面乘着一个新鲜的心脏。附近是一个泵，可以推动溶解剂通过塑料管到达心脏的主动脉。溶解液会通过血管网络被输送到心脏各处。Ott解释，在过去的一个星期左右，这种流动的溶解剂会去除心脏中脂类、DNA、可溶性蛋白质、糖和几乎所有其他细胞物质，仅留下一个胶原蛋白、层粘连蛋白及其他结构蛋白构成的用于托举器官的网架。

　　心脏支架并不一定非得是人类的。猪的心脏也是可能的：它们能够起到支撑作用，而且不带有人类疾病。猪的心脏很少有疾病或复苏能力减弱的现象。“猪的组织比人类更安全，而且供应量无限，”美国匹兹堡大学再生医学研究员Stephen Badylak说。

　　Ott说，最棘手的部分是要确保溶解剂只溶解适量的材料。剥去太少，原有基质会保留一些，细胞表面物质可导致器官接受者免疫系统的排异反应。剥去太多，可能会失去重要的蛋白质和生长因子。

　　通过不断试验和失败，研究人员找到了适当的溶解剂的浓度，溶解时间和压力，完善了心脏和其他器官的脱细胞过程。这可能是器官生产行业发展最好的时期，但它仅仅是第一步。接着，产生的支架需要被重新填充。

　　填充细胞

　　“再细胞化”是一个新的挑战，西北大学范伯格医学院的外科医生Jason Wertheim说。“第一，我们用什么细胞?第二，我们用多少细胞?第三，它们应该是成熟的细胞、胚胎干细胞还是iPS[诱导性多能干细胞]细胞?最佳的细胞来源又是什么?”

　　使用成熟细胞可以说是棘手的，Taylor说，“你无法用成人的心肌细胞进行增殖。” 因为受损的心脏若能够自我修复，就没有必要移植。

　　在该领域的大多数研究人员通常使用两种或多种类型的细胞“混合物”，如内皮前体细胞来铺设血管管道或者“种植”能长成心脏腔室壁组织的“种子”。Ott已经利用iPS细胞做到了这一点。

　　原则上，iPS细胞方法可以提供新心脏全套的细胞类型，包括血管细胞和多种类型的心肌细胞。但在实践中，它运行也受到了阻碍。其中之一就是人心脏的尺寸规格。Ott说，这一数字被严重低估。此外，研究人员还不知道利用iPS细胞能否在人心脏支架内分化发育出正确的细胞类型。

　　当位于心脏构架内时，一些未成熟的细胞会生根并开始生长。但要促使它们具有细胞功能，心肌细胞需要更多而不仅仅是含氧的基质和生长因子。“细胞能感知到所处的环境，” 一直试图进行肺移植的 Angela Panoskaltsis-Mortari说， “他们所感知的不只是生长相关因素。他们还能意识到机械力量，这能推动它们向正确的细胞类型发育。”

　　因此，研究人员必须把心放入生物反应器来创造跳动的环境。Ott的生物反应器将类似于心脏起搏器的电子信号与由泵引起的物理跳动作用结合，帮助接种在心脏支架的心肌细胞跳动。但是，想要模仿人体其他条件(例如心跳率和血压的变化)，还面临着巨大的挑战。“身体的反应非常快，生物反应器还无法模仿。” Badylak说。

　　Taylor 和Ott开发出了生物反应器，并且用再细胞化所得到的细胞填充大鼠心脏，在这一过程中，他们一直都在学习。数据资料显示，即使在人造大鼠心脏在反应器里能独立跳动八至十天后，它门所产生的泵血能力也只是正常的成年大鼠2%。Taylor透露她目前刚刚获得了泵血能力达到25%的大鼠或大型哺乳动物的心脏，她和Ott有信心，他们正在朝着正确的方向前进。

　　跳动

　　最后一个挑战是最难的：将人造的心脏植入活体动物中，并让它能长时间保持跳动。

　　脉管系统的完整性的第一道障碍。任何漏洞都可能滋生血块导致器官或动物死亡。“你需要一块完好无损的内皮组织，否则就会有血块或者泄漏。” Gilbert说。

　　Ott 已经证明，工程器官可以在一段时间内生存。他的研究小组将一个生物工程肺移植到大鼠体内，可以为动物进行气体交换，但是肺部空腔很快被液体充满。向大鼠移植的生物工程肾在今年年初成活，无凝血，但过滤尿液的能力非常弱，这也许是因为没有产生足够的肾所需要的细胞类型。Ott的团队和其他研究者通常将人造心脏植入大鼠的颈部、腹部或动物自身的心脏旁边。尽管虽然研究人员可以用血喂养人造心脏，并能保持它们跳动一会儿，但这些人造心脏都没有足够的泵血功能。研究人员表示只有人造心脏具有更高的运作能力，才可以把它移植到更大型的动物身上。

　　Badylak说： “你必须开始做一些工作使得这些人造心脏具有良好的功能。你不能期望泵血功能只有正常心脏1或2或5%的人造心脏有所作为，这容不得我们有一点闪失。现在我们只是刚刚起步。”Panoskaltsis Mortari说。

　　Ott和他的同行们已经能够对心脏和其它器官的零部件进行改良。例如，一个人造瓣膜能比机械瓣膜或组织坏死的瓣膜用更长时间，因为它们拥有在病人体内生长和自我修复的能力，这样的话，器官就不需要被完全取代。

　　Taylor认为她们研究中的一些方法，可以对患者有严重的心脏缺陷(如左侧心脏发育不全综合征)的人有所帮助。现在研究人员正在不断学习，而在未来，我们可以像打补丁一样修复受损的心脏。

　　玻璃罐里悬浮的器官也许会让人们想起科学怪人弗兰肯斯坦的故事，但Taylor说她是为爱而工作的。“有的时候，我会说‘天哪我这么做究竟又得到了什么?’但有的时候，又仿佛听到一个孩子问我‘你能治好我妈妈吗?’——爱让一切都变得值得。”

人体器官再细胞化

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