將要走入現(xiàn)實的組織工程器官

將要走入現(xiàn)實的組織工程器官將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第1頁[視頻]普通體細(xì)胞可能孕育新生命：我國干細(xì)胞技術(shù)取得重大突破中央電視臺網(wǎng)消息(新聞聯(lián)播)：1997年克隆羊多莉誕生，意味著體細(xì)胞能夠回到生命初始狀態(tài)，也就是含有了逆生長可能。近日，我國科學(xué)家在克隆技術(shù)研究上又取得了新突破，經(jīng)過小分子化合物誘導(dǎo)方法，讓一個普通體細(xì)胞可能孕育出新生命。“全能干細(xì)胞”是生命發(fā)育起點，哺乳動物身上每個器官和身體發(fā)膚就是經(jīng)過“全能干細(xì)胞”分化發(fā)育而來。北京大學(xué)鄧宏魁教授率領(lǐng)干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)研究團體使用4個小分子化合物組合，把成年鼠身上已經(jīng)長成表皮細(xì)胞成功逆轉(zhuǎn)為生命起點“全能干細(xì)胞”。以多莉羊為代表第一代克隆技術(shù)，需要借助卵母細(xì)胞來取得干細(xì)胞，這么會帶來倫理問題，而第二代轉(zhuǎn)基因技術(shù)使用病毒誘導(dǎo)，存在著安全風(fēng)險。我國科學(xué)家采取化合物小分子新方法，實現(xiàn)體細(xì)胞直接變成胚胎干細(xì)胞，路徑更簡練，也愈加安全。當(dāng)前，這項科研結(jié)果已經(jīng)被美國《科學(xué)》、《細(xì)胞》等多個學(xué)術(shù)權(quán)威雜志報道。國際權(quán)威教授表示，這項研究結(jié)果為未來研發(fā)人造器官和攻克癌癥等重大疾病提供了新途將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第2頁將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第3頁要構(gòu)建一個新心臟，研究人員首先要從捐獻(xiàn)心臟（左）上去除全部細(xì)胞，留下蛋白質(zhì)支架，然后注入新細(xì)胞（中），新細(xì)胞在生長因子和機械刺激影響下逐步發(fā)育成熟將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第4頁將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第5頁一個經(jīng)過細(xì)胞解離人類心臟，正在等候注入前細(xì)胞將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第6頁大家對心臟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人在排隊等候，這對器官移植和生物工程都提出了極大挑戰(zhàn)。伴隨越來越多人需要心臟移植，研究人員正努力經(jīng)過組織工程，在試驗室里培養(yǎng)出新心臟來。這種工程心臟與當(dāng)前用鈦合金和塑膠制造“人造心臟”不一樣，它用是病人自己干細(xì)胞，不會被病人免疫系統(tǒng)排斥，從而有望處理困擾全世界移植器官缺點問題。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第7頁組織工程領(lǐng)域科學(xué)家希望造出全新器官，用于移植而沒有免疫排斥風(fēng)險。這種方法理論上很簡單：首先從一個已死亡器官上去除全部細(xì)胞——不一定非要是人器官——然后把蛋白質(zhì)支架留下來，重新放入與病人免疫系統(tǒng)兼容干細(xì)胞。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第8頁然而實際操作起來，這一過程卻面臨著很多挑戰(zhàn)。研究人員在培養(yǎng)和移植氣管、膀胱等相對簡單空腔類器官方面，已經(jīng)取得一些成功；但在培養(yǎng)實心器官時，如腎臟、肺等，這些器官要取得十幾個類型細(xì)胞，再把它們放到適當(dāng)位置，同時還要培養(yǎng)出完整血管網(wǎng)來維持它們生存。新器官必須是無菌，假如接收它病人很年輕，它還要能繼續(xù)生長，最少在表面上，它要能自我修復(fù)。最主要是，它們必須能發(fā)揮功用——最理想，當(dāng)然是能工作一輩子。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第9頁心臟必須能持之以恒地跳動，天天泵出約7000升血液，也沒有可替換備用具。心臟由心房、心室和瓣膜等各種不一樣類型、專門化心肌細(xì)胞組成。捐獻(xiàn)心臟則缺乏這些，因為它們通常會因疾病、復(fù)蘇辦法等而被損壞，所以，假如能經(jīng)過生物工程，穩(wěn)定地供給在試驗室培育出來器官，將是極受歡迎。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第10頁支架：清理舊房變新房

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)變成會跳動心肌細(xì)胞。再用一個外接小型電動起搏器，讓這些工程心臟細(xì)胞開始起步，并維持同時跳動幾個小時。但要把培養(yǎng)皿中一團抽搐細(xì)胞變成工作心臟，還需要一個支架，才能把細(xì)胞有組織地排成一個三維物體。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第11頁或許最終，大家能用三維打印技術(shù)造出這種結(jié)構(gòu)，就像今年初演示人造氣管那樣。然而在可預(yù)見未來，即使用最尖端機器，也“打印”不出人類心臟這么復(fù)雜結(jié)構(gòu)，尤其是那些錯綜復(fù)雜毛細(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)，并運走深層細(xì)胞所產(chǎn)生廢物。“血管分布是主要挑戰(zhàn)?！北笨_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膀胱，當(dāng)前正致力于培養(yǎng)腎臟。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第12頁在一個玻璃和塑料制成像鼓似容器中，幾根塑料管子懸著一個新鮮人類心臟。附近有一個泵，經(jīng)過一根管子把清洗液平靜地輸送到心臟主動脈中。當(dāng)液流壓迫使主動脈瓣閉合時，清洗液就被送往整個血管網(wǎng)。這些血管網(wǎng)曾經(jīng)滋養(yǎng)著心肌細(xì)胞，直到它們主人在幾天前往世。奧特解釋說，整個過程大約需要一個星期，清洗液就會除掉脂類、DNA、可溶蛋白、糖和幾乎全部心臟產(chǎn)生其它細(xì)胞物質(zhì)，只留下一堆由膠原蛋白、層粘連蛋白及其它結(jié)構(gòu)蛋白組成網(wǎng)孔：這就是曾把一堆細(xì)胞排列成一個器官“細(xì)胞外基質(zhì)”。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第13頁用作支架心臟不一定非要是人類，豬心臟也很有前景：它們包含了細(xì)胞外基質(zhì)所相關(guān)鍵成份，而且不大可能攜帶人類疾病，罕有因疾病或復(fù)蘇術(shù)而被減弱?！柏i組織比人類更安全，幾乎能夠無限供給?！逼テ澅ご髮W(xué)再生醫(yī)學(xué)研究員斯蒂芬·巴蒂萊克說。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第14頁但復(fù)雜是怎樣確保清洗液所溶解材料數(shù)量剛才好。假如去除太少，基質(zhì)中可能會殘留一些細(xì)胞表面分子，而這可能引發(fā)接收者免疫系統(tǒng)排斥；去除得太多，可能會失去了關(guān)鍵蛋白和生長因子，而這些蛋白和生長因子會告訴“新來”細(xì)胞該黏附在哪里，該怎樣做等?！凹偃缒阌靡粋€更溫和載體和壽命期更短框架，可能會使器官改變形狀。”將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第15頁經(jīng)過重復(fù)試驗，研究人員在數(shù)百個心臟及其它器官上按百分比增加清洗液濃度、時間和壓力，改進了這一細(xì)胞分解過程。這可能是“器官生產(chǎn)事業(yè)”發(fā)展得最好階段，但這只是第一步。下一步，就是請人類細(xì)胞來“入住”支架了。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第16頁重新細(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，咱們要用什么細(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）？最正確細(xì)胞起源是什么？”退一步來說，即使是用成熟細(xì)胞，情況也很復(fù)雜?！澳悴豢赡艿玫揭粋€成人心臟拿來培養(yǎng)擴增，”泰勒說，“假如能話，根本就不會有這次談話了?！薄偃鐡p壞心臟能夠自行修復(fù)，也就無需心臟移植了。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第17頁大個別研究人員是用兩種或更各種細(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。奧特則經(jīng)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)胞狀態(tài)。成熟細(xì)胞能夠從將要接收器官病人身上取得，這么制造器官就能和病人免疫系統(tǒng)相配。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第18頁從理論上說，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞法能為病人提供一個新心臟，擁有全部細(xì)胞類型，包含血管細(xì)胞和各種心肌細(xì)胞。但實際上，操作起來卻會陷入麻煩。問題之一就是心臟大小。這一數(shù)字主要性被大大低估了，奧特說，“它意味著要準(zhǔn)備100萬個細(xì)胞，1億個細(xì)胞，還是500億個細(xì)胞？”當(dāng)在一個成熟心臟支架上，把誘導(dǎo)多能干細(xì)胞重新變成胚胎再次發(fā)育時，研究人員也不能確定各類細(xì)胞是否長勢良好。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第19頁當(dāng)新細(xì)胞在支架上“入住”后，一些未成熟細(xì)胞會定植并開始生長。但要讓它們變成功效健全、跳動心臟，需要不但僅是氧化媒介和生長因子。“細(xì)胞能感知它們周圍環(huán)境，它們不但能感知生長因子，還能感知軟硬和機械壓力。這種感知能力會驅(qū)使細(xì)胞按適當(dāng)發(fā)育路徑生長。致力于培養(yǎng)出移植用組織工程肺。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第20頁所以來說，研究人員必須把心臟放在一個生物反應(yīng)器中，模擬跳動感覺。奧特生物反應(yīng)器是結(jié)合了電信號（類似于起搏器），幫助那些在支架上定植跳動著心肌細(xì)胞，使它們跳動頻率和由一個泵引發(fā)生理跳動節(jié)律同時化。但在模仿人體條件這方面，研究人員面臨著一場持久戰(zhàn)，比如心律與血壓改變、使用藥品等?！吧眢w對事物和條件改變反應(yīng)是如此快速，要在一個生物反應(yīng)器中模仿它幾乎是不可能。”巴蒂萊克說。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第21頁首次開發(fā)出了生物反應(yīng)器，當(dāng)初是用小鼠心臟進行細(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，那個心臟終于能自己跳動了，還產(chǎn)生了大約相當(dāng)于一個正常成年小鼠心臟2%泵流量。到當(dāng)前為止，已經(jīng)讓取自小鼠和更大動物心臟到達(dá)了正常泵流量25%，咱們相信，咱們走道路是正確。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第22頁跳動：最終挑戰(zhàn)未圓滿

最終難題也是一個最大挑戰(zhàn)：把一個新培養(yǎng)出來工程心臟放入一個活動物體內(nèi)，并讓它長久跳動。"血管系統(tǒng)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)胞基礎(chǔ)，任何一小點裸露凝結(jié)對整個器官或動物本身來說，都可能是致命?！澳阈枰且粋€非常完好、排列著每一個血管內(nèi)皮，不然就會出現(xiàn)凝結(jié)或漏損。將要走入現(xiàn)實的組織工程器官第23頁研究人員用細(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)瓣膜、個別心臟及其它器官改良和發(fā)展。比如，一個生物工程瓣膜可能會比機械或死亡組織瓣膜工作更長時間，因為它們有和病人一起成長、自我修復(fù)