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即将走入现实的组织工程器官

发布时间:2021-01-05 11:55:23 阅读: 来源:冲床厂家

即将走入现实的组织工程器官

上图:要构建一个新的心脏,研究人员首先要从捐献心脏(左)上去除所有细胞,留下蛋白质支架,然后注入新细胞(中),新细胞在生长因子和机械刺激的影响下逐渐发育成熟(右)。下图:一个经过细胞解离的人类心脏,正在等候注入前细胞。

本报记者常丽君综合外电

新视野

人们对心脏的急需程度排在第三位,紧随肾脏和肝脏之后。单在美国,每年就有大约3500人在排队等候,这对器官移植和生物工程都提出了极大挑战。随着越来越多的人需要心脏移植,研究人员正努力通过组织工程,在实验室里培养出新的心脏来。这种工程心脏与目前的用钛合金和塑胶制造的“人造心脏”不同,它用的是病人自己的干细胞,不会被病人的免疫系统排斥,从而有望解决困扰全世界的移植器官的缺陷问题。

器官:从科幻到实验室

当人们把多莉丝·泰勒叫做“弗兰肯斯坦”时,她并没有感到侮辱。“事实上,这对我而言更多的是恭维。”她说,她的研究工作证明,人们正在接近这种可能性。泰勒是得克萨斯州心脏研究所再生医学研究部主管。

《弗兰肯斯坦》是英国诗人雪莱的妻子玛丽·雪莱的科幻小说。“弗兰肯斯坦”是小说中一位疯狂科学家,他用许多碎尸块拼接成一个“人”,并用电将其激活。这个“人造人”心地善良、乐于助人却奇丑无比,最终因得不到社会的理解和同情而成为一个社会秩序的破坏者。

泰勒不得不承认,她和那位疯狂的科学家确有一比:她也会经常从刚死的人身上摘下器官,如心脏和肺,从细胞开始对其进行重新设计,试图让这些器官恢复生命,在活人体内重新跳动或呼吸。

组织工程领域的科学家希望造出全新的器官,用于移植而没有免疫排斥的风险。泰勒是这些人中的先锋。这种方法理论上很简单:首先从一个已死亡的器官上清除所有细胞——不一定非要是人的器官——然后把蛋白质支架留下来,重新放入与病人的免疫系统兼容的干细胞。

然而实际操作起来,这一过程却面临着诸多挑战。研究人员在培养和移植气管、膀胱等相对简单的空腔类器官方面,已经取得一些成功;但在培养实心器官时,如肾脏、肺等,这些器官要取得十几种类型的细胞,再把它们放到合适位置,同时还要培养出完整的血管网来维持它们生存。新器官必须是无菌的,如果接受它的病人很年轻,它还要能继续生长,至少在表面上,它要能自我修复。最重要的是,它们必须能发挥功用——最理想的,当然是能工作一辈子。

心脏必须能持之以恒地跳动,每天泵出约7000升的血液,也没有可替换的备用品。心脏由心房、心室和瓣膜等多种不同类型的、专门化的心肌细胞构成。捐献的心脏则缺少这些,因为它们通常会因疾病、复苏措施等而被损坏,所以,如果能通过生物工程,稳定地供给在实验室培育出来的器官,将是极受欢迎的。

在制造小鼠心脏方面,泰勒曾领导过一些成功的实验,因此她对组织工程中的这一最终挑战充满了乐观:“我认为这是切实可行的,但我并不认为这是简单的。”她的一些同行则不那么乐观。卡罗莱纳州斯德哥尔摩研究所胸腔外科医师保罗·迈克奇阿里尼曾给一些病人移植过利用生物工程技术制造的气管。他认为,虽然在替换管状器官,如气管、动脉、食管等方面,组织工程可能成为一种常规手段,但对那些更复杂器官来说,情况却未必如此。

然而,就算这些尝试可能会失败,所付出的努力依然值得。宾夕法尼亚州匹兹堡大学外科医生兼研究员亚利扬德罗·索图-古特里兹说:“除了梦想制造移植器官以外,我们能从这些系统中学到很多东西。”比如更好地理解心脏中的细胞组织、发现修护心脏的新方法等。

支架:清理旧房变新居

10多年来,生物学家一直在努力,想在培养皿中把胚胎干细胞转变成会跳动的心肌细胞。再用一个外接的小型电动起搏器,让这些工程心脏细胞开始起步,并维持同步跳动几个小时。但要把培养皿中一团抽搐的细胞变成工作的心脏,还需要一个支架,才能把细胞有组织地排成一个三维物体。

或许最终,人们能用三维打印技术造出这种结构,就像今年初演示的人造气管那样。然而在可预见的将来,即使用最尖端的机器,也“打印”不出人类心脏这么复杂的结构,尤其是那些错综复杂的毛细血管网。心脏需要毛细血管网来供给氧气和营养,并运走深层细胞所产生的废物。“血管分布是主要的挑战。”北卡罗莱纳州威克森林大学泌尿科医师安东尼·埃特拉说。他给病人移植过生物工程制造的膀胱,目前正致力于培养肾脏。

对于未来的“心脏制造师”而言,主要技术就是再次利用生物以往造出来的那些东西。马萨诸塞州总医院外科医生、再生医学研究员哈拉尔德·奥特演示了一种他开发出来的方法,泰勒也在实验和改进这种方法。

在一个玻璃和塑料制成的像鼓似的容器中,几根塑料管子悬着一个新鲜的人类心脏。附近有一个泵,通过一根管子把清洗液安静地输送到心脏的主动脉中。当液流压迫使主动脉瓣闭合时,清洗液就被送往整个血管网。这些血管网曾经滋养着心肌细胞,直到它们的主人在几天前去世。奥特解释说,整个过程大约需要一个星期,清洗液就会除掉脂类、DNA、可溶蛋白、糖和几乎所有心脏产生的其他细胞物质,只留下一堆由胶原蛋白、层粘连蛋白及其他结构蛋白组成的网孔:这就是曾把一堆细胞排列成一个器官的“细胞外基质”。

用作支架的心脏不一定非要是人类的,猪的心脏也很有前景:它们包含了细胞外基质的所有关键成分,而且不大可能携带人类疾病,罕有因疾病或复苏术而被削弱的。“猪的组织比人类的更安全,几乎可以无限供给。”匹兹堡大学再生医学研究员斯蒂芬·巴蒂莱克说。

但复杂的是怎样确保清洗液所溶解的材料数量刚刚好。奥特说,如果去除的太少,基质中可能会残留一些细胞表面分子,而这可能引起接受者免疫系统的排斥;去除得太多,可能会失去了关键蛋白和生长因子,而这些蛋白和生长因子会告诉“新来的”细胞该黏附在哪里,该怎样做等。“如果你用一种更温和的载体和寿命期更短的框架,可能会使器官改变形状。”托马斯·吉尔伯特说。他在马里兰州哥伦比亚一家名为ACell的公司从事细胞分解研究,为再生医学生产细胞外基质产品。

通过反复实验,研究人员在数百个心脏及其他器官上按比例增加清洗液的浓度、时间和压力,改进了这一细胞分解过程。这可能是“器官生产事业”发展得最好的阶段,但这只是第一步。下一步,就是请人类细胞来“入住”支架了。

细胞:入住新居问题多

“重新细胞化”也带来了大量难题,伊利诺斯州西北大学范伯格医学院外科医师詹森·沃特海姆说:“第一,我们要用什么细胞?第二,要用多少细胞?第三,该用成熟细胞、胚胎干细胞还是诱导多能干细胞(iPS细胞)?最佳的细胞来源是什么?”

退一步来说,即使是用成熟细胞,情况也很复杂的。“你不可能得到一个成人的心脏拿来培养扩增,”泰勒说,“如果能的话,根本就不会有这次谈话了。”——如果损坏的心脏可以自行修复,也就无需心脏移植了。

大部分研究人员是用两种或更多种细胞混合,比如用内皮前细胞排列成血管,用肌前细胞生成房室壁。奥特则通过诱导多能干细胞来获取这些细胞。诱导多能干细胞是利用生长因子将成熟细胞重新编程,使其返回到类似于胚胎干细胞的状态。成熟细胞可以从将要接受器官的病人身上取得,这样制造的器官就能和病人的免疫系统相配。

从理论上说,诱导多能干细胞法能为病人提供一个新的心脏,拥有全部的细胞类型,包括血管细胞和多种心肌细胞。但实际上,操作起来却会陷入麻烦。问题之一就是心脏的大小。这一数字的重要性被大大低估了,奥特说,“它意味着要准备100万个细胞,1亿个细胞,还是500亿个细胞?”当在一个成熟的心脏支架上,把诱导多能干细胞重新变成胚胎再次发育时,研究人员也不能确定各类细胞是否长势良好。

当新细胞在支架上“入住”后,一些未成熟细胞会定植并开始生长。但要让它们变成功能健全、跳动的心脏,需要的不仅仅是氧化媒介和生长因子。“细胞能感知它们周围的环境,它们不仅能感知生长因子,还能感知软硬和机械压力。”明尼苏达州立大学的安吉拉·帕诺斯卡蒂斯-莫塔里说,这种感知能力会驱使细胞按合适的发育路径生长。他正致力于培养出移植用的组织工程肺。

因此来说,研究人员必须把心脏放在一个生物反应器中,模拟跳动的感觉。奥特的生物反应器是结合了电信号(类似于起搏器),帮助那些在支架上定植的跳动着的心肌细胞,使它们跳动的频率和由一个泵引发的生理跳动节律同步化。但在模仿人体条件这方面,研究人员面临着一场持久战,比如心律与血压的变化、使用药物等。“身体对事物和条件变化的反应是如此迅速,要在一个生物反应器中模仿它几乎是不可能的。”巴蒂莱克说。

泰勒和奥特首次开发出了生物反应器,当时是用小鼠的心脏进行细胞分解与重新入住。经过在生物反应器中呆了8天到10天后,那个心脏终于能自己跳动了,还产生了大约相当于一个正常成年小鼠心脏的2%的泵流量。泰勒说,到目前为止,她已经让取自小鼠和更大动物的心脏达到了正常泵流量的25%,虽然她尚未公布这一数字。她和奥特相信,他们走的道路是正确的。

跳动:最后挑战未圆满

最后的难题也是一个最大的挑战:把一个新培养出来的工程心脏放入一个活动物体内,并让它长期跳动。

血管系统的完整健全是第一道障碍。细胞外基质是滋养心脏细胞的基础,任何一小点的裸露凝结对整个器官或动物本身来说,都可能是致命的。“你需要的是一个非常完好的、排列着每一种血管的内皮,否则就会出现凝结或漏损。”吉尔伯特说。

奥特曾演示过工程器官能存活一段时间。他的研究小组曾经给小鼠移植过一个生物工程肺,显示了这个肺能支持动物的气体交换,但气体空间很快就被液体所充满。今年初,奥特小组还报告移植了一个小鼠的工程肾脏,存活下来且没有凝结,但它过滤尿液的能力还很小,可能是因为培养过程中产生的细胞类型不够,未能满足肾脏正常功能的需要。

奥特小组还和其他研究人员一起,把重新构造的心脏移植到小鼠体内,通常是在脖子、腹部或小鼠自己的心脏旁边。虽然他们能用血液养育心脏,并使其跳动一段时间,却还没有一个心脏能支持泵血功能。而且,他们如果把实验室制造的心脏移植到比小鼠更大的动物体内,还要证明该心脏有更强的功能。

因为这是个心脏,“你必须一开始就能运行良好,从移植那一刻开始。你不可能用一个泵流量仅有正常心脏1%或5%的工程心脏,然后看看有什么差异”,再提出一个参考的泵血效率值,这里能允许的误差空间非常小,巴蒂莱克说。“我们还只是刚刚起步,”帕诺斯卡蒂斯-莫塔里说,“我们目前的处境,就像10年前人们面对心脏移植。”

奥特及其他研究人员用细胞分解法来培育心脏,这已经预示了以组织为基础的瓣膜、部分心脏及其他器官的改良和发展。比如,一个生物工程瓣膜可能会比机械的或死亡组织的瓣膜工作更长时间,因为它们有和病人一起成长、自我修复的潜能。其他器官可能不需要完全替换。“如果在下个5年到7年内,你还没看到医学已能移植至少一部分动脉、肺叶或肝叶,那我才会感到吃惊。”巴蒂莱克说。

据泰勒推测,采用部分替换的方法可能会帮助那些有严重心脏缺陷的病人,如左心发育不全综合征患者,这种病是有一半心脏严重发育不全。要恢复那一半,她说,“从根本上迫使你去构建所需要的部分。”

所有这些付出的努力,都能为人们提供宝贵经验和教训,推动心脏细胞疗法的发展。比如,研究人员正在学习怎样才能让心脏细胞在三维空间里发育良好,并发挥出本身作用。将来,部分支架,不管是人造的还是来自尸体的,都能让新细胞在心脏受损部位“安家落户”,像补丁那样修复它。

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