栽颗心脏给你使 科学家迎接组织工程学终极挑战

随着成千上万的人需要心脏移植，研究人员正试图利用生物工程技术培育新的器官。照片来源:NIK·斯宾塞

多丽丝·泰勒被称为弗兰肯斯坦时，并不认为这是一种侮辱。"这实际上是我收到的最大的赞美之一。"她说。考虑到她的工作性质，德克萨斯心脏研究所再生医学研究主任泰勒承认这个比喻是恰当的。她定期从新死者身上获取心脏和肺等器官，从细胞层面重组它们，并试图使它们复活，以便能够在活人身上再次跳动或呼吸。

泰勒是致力于制造全新器官的先驱研究者之一。新的器官可以确保在移植过程中没有受者免疫系统排斥的风险。这个策略原则上非常简单。首先从死亡的器官中取出所有细胞——这些器官甚至可能不是来自人类，然后留下蛋白质支架，重新注射与需要器官的患者免疫匹配的干细胞。就是它了！世界上可移植器官的严重短缺是可以解决的。

然而，在实际操作中，这一过程有很大的挑战。研究人员在开发和移植一些相对简单的器官如气管和膀胱方面取得了一些成功。然而，诸如肾和肺的实体器官的培养意味着许多细胞类型需要到达完全正确的位置，并且需要同时生长完整的血管网络以确保它们的存活。

新器官也必须是无菌的。如果病人年轻，它仍然可以生长，至少名义上可以自我修复。最重要的是，他们必须工作——理想的是一辈子。心脏是仅次于肾脏和肝脏的第三大最需要的器官，仅在美国就有3500名患者等待移植。然而，这种器官在移植和生物工程中面临着特殊的挑战。

心脏必须保持跳动，每天输送大约7000升血液。它包括由几个叫做心肌细胞的肌肉细胞组成的心室和瓣膜。同时，心脏捐献非常少，主要是因为它容易生病或复苏，所以人们迫切需要稳定的生物工程器官供应。

领导成功的小鼠心脏实验的泰勒对组织工程的这一终极挑战持乐观态度。“我认为这真的可以做到。”她说。然而，一些同事并不十分乐观。瑞典卡罗林斯卡医学院的胸外科医生保罗·马基亚里尼(Paolo Macchiarini)表示，尽管组织工程可能成为移植气管、动脉和食道等管状结构的一种方式，但他“对研究更复杂的器官没有信心”。

"然而，即使失败了，相关的努力也是值得的."美国匹兹堡大学的研究员兼外科医生亚历杭德罗·索托-古铁雷斯说，“除了制造气管移植物的梦想，我们还可以从这些系统中学到很多东西。”

搭建脚手架

十多年来，生物学家已经能够在培养皿中将胚胎干细胞转化为跳动的心肌细胞。有了一点外部电起搏，这些心脏细胞甚至可以保持几个小时的同步和跳动。

然而，要使培养皿中的细胞群抽搐而形成工作心脏，需要一个支架来组织三维细胞。研究人员可能最终会使用3D打印来创建这样的结构，正如今年早些时候人造气管所展示的那样。

但是在可预见的未来，人类心脏的复杂结构是最复杂的机器所无法企及的。"多船是主要的挑战."威克森林大学的泌尿科医生安东尼·阿塔拉说。

对于未来的心脏制造商来说，领先的技术通常包括重复使用。马萨诸塞州总医院的外科医生和再生医学专家哈拉尔德·奥特展示了他在接受泰勒训练时发明的方法。一颗新鲜的人类心脏悬浮在由玻璃和塑料制成的膨胀的心室塑料管中。附近有一个泵，它可以将清洁剂悄悄输送到心脏的主动脉。奥托解释说，大约一周后，去污剂将去除油脂、脱氧核糖核酸、可溶性蛋白质、糖和几乎其他多孔物质，只留下胶原蛋白、层粘连蛋白和其他结构蛋白的网格——这些“细胞外基质”曾经将器官和组织结合在一起。

心脏支架不仅来自人类，猪也有希望。它们拥有细胞外基质的所有重要成分，不太可能携带人类疾病。"猪组织比人体组织更安全，而且有无限的供应."匹兹堡大学再生医学专家Stephen Badylak说。

经过反复实验和提高清洁剂的浓度、时间和压力，研究人员简化了数百个心脏和其他器官的去细胞化过程。但这只是第一步，下一步，需要将支架重新注入人体细胞。

注入新细胞

“脱细胞”带来了另一个挑战。西北大学芬伯格医学院的外科医生杰森·韦特海姆指出，“首先，我们使用什么细胞？第二，需要多少？第三，它们应该是成熟细胞、胚胎干细胞还是诱导多能干细胞？什么是最合适的细胞来源？”

泰勒说，至少可以说，使用成熟细胞很棘手。“你不能增殖成熟的心肌细胞。如果可以的话，我们不会再追究这个问题了。”因为这样，受损的心脏无需移植就能自我修复。

该领域的大多数研究人员使用两种或两种以上细胞的混合物，例如，内皮前体细胞用于排列血管，肌肉前体细胞用于制造心室壁。Ott从诱导多能性细胞中获得这些细胞，诱导多能性细胞可以从病人身上获取并产生免疫匹配的组织。

原则上，诱导多能性细胞方法可以提供新的心脏及其所有细胞类型，包括血管细胞和各种心肌细胞。但实际上，它也有自己的问题。一个是人类心脏的大小。这个数字被严重低估了。奥托提到“制造100万个细胞是一回事，制造1亿或500亿个细胞是另一回事。”研究人员不知道当诱导多能干细胞用于成人心脏支架中重复胚胎发育时，是否会产生正确的细胞类型。

当它们占据支架时，一些不成熟的细胞会生根并开始生长。然而，刺激它们成为功能性的和跳动的心肌细胞需要更多的氧介质和生长因子。"细胞可以感受到它们的环境。"明尼苏达大学的安吉拉·帕诺斯卡斯-莫塔里说。

因此，研究人员必须将心脏放入能够模拟跳动感觉的生物反应器中。但是他们正面临着一场模拟人体状况的持续战斗，比如心率、血压或药物的变化。“人体能够对环境和条件的变化做出快速反应，这在生物反应器中可能很难模仿。”巴蒂拉克说。

当泰勒和奥托第一次发明生物反应器时，他们知道他们必须边走边学。然而，最终，在反应堆中8-10天后，心脏可以自行跳动，产生正常成年小鼠心脏约2%的泵送能力。他们相信他们走在正确的道路上。

搅拌

最后一个挑战也是最困难的问题之一:将一个新的正在生长的人造心脏植入一只活的动物体内，并让它长时间跳动。

完整的脉管系统是第一个障碍。"你需要非常完整的内皮细胞排列在每条血管上."美国马里兰州阿塞勒的托马斯·吉尔伯特说。

奥特已经证明人造心脏可以存活一段时间。他的团队已经将一个生物工程肺移植到一只老鼠体内。结果表明，肺可以为动物提供气体交换，但肺腔很快充满液体。奥特研究小组和其他人也将人造心脏植入老鼠体内。

尽管研究人员可以为器官补充血液，并让它们跳动一段时间，但没有心脏具有泵血的功能。在移植到比老鼠大的动物体内之前，研究人员需要证明人工心脏具有更高的功能。“我们仍处于初级阶段。”帕诺斯卡斯-莫塔里说。

奥托等人开发的去细胞化过程预测了改进的组织瓣膜以及心脏和其他器官的其他部分的发展。例如，生物工程改造的瓣膜可以比机械瓣膜或死组织瓣膜持续更长时间，因为心脏可以在患者体内生长并自我修复。其他器官可能不需要完全替换。“如果你没有看到病人被植入至少部分动脉、肺、肝叶等，我会感到惊讶。在接下来的5-7年里。”巴蒂拉克说。

然而，泰勒怀疑局部方法是否能帮助患有严重心脏缺陷如左心室发育不全综合征的患者。她说重建另一半“本质上迫使你去建造你需要的大部分东西”也许罐子里幽灵般漂浮的器官看起来像是对弗兰肯斯坦故事的可怕模仿，但泰勒说他的工作是“爱的劳动”。(张张)

中国科学新闻(2013-07-09第三版国际版)