如何建造一個心臟

陳軼翔/編譯

如何建造一個心臟

陳軼翔/編譯

● 用人工方式培育心臟或其他器官，以解除飽受器官衰竭患者的痛苦是醫學界的夢想。目前，研究人員正在運用組織工程學方法致力于新器官的培養，旨在讓這一夢想的實現成為可能。

當多莉絲·泰勒（DorisTaylor）被人們稱為“弗蘭肯斯坦博士”（科幻小說《科學怪人》中的主人公，一個瘋狂的科學家，用許多碎尸塊拼接成一個“人”，并用電將其激活——譯者注）時，她并不認為這是一種侮辱。“事實上，這是我所獲得的最好的贊美之一，”并認為這是對她的一種認可，肯定了她所從事的研究正在打破可能的界限。泰勒是休斯頓市得克薩斯心臟病研究所再生醫學研究室主任，常常從剛去世的人的尸體上取下器官，如心臟或肺，然后對其從細胞開始進行重新建構，希望它們能夠在生者體內再次跳動或呼吸。而正是鑒于此，她不得不承認，人們給她起這樣的綽號，比喻貼切。

在這一領域，泰勒是走在前沿的研究人員之一，她嘗試著重構全新的器官，以避免器官移植接受者免疫系統出現排斥現象。理論上這看似很簡單：首先，從尸體上（甚至不需要一定是人類的）取下器官并移除所有細胞，僅留下蛋白支架，然后用與接受移植的患者免疫相匹配的干細胞將其重新填充。然而，在實踐過程中，研究人員卻面臨著巨大的挑戰。

組織工程

關于培養和移植構造相對簡單的器官，如氣管和膀胱，研究人員已經取得了一些成就。但是，培養實質性器官，如腎臟或肺，就意味著必須將幾十種細胞精確地置于恰當的位置，同時還需要培養完整的血管脈絡使其存活。新的器官必須是無菌的，最重要的是能夠正常地運轉。理想的狀態是為患者服務一生。

就心臟而言，是僅次于腎臟和肝的第三種最急需的可移植器官，僅在美國，就有3500個患者等待著心臟移植。但從移植和生物工程學角度來說，面臨著不少的挑戰：人造心臟必須不斷地跳動，每天泵血大約7000升，心臟腔室和瓣膜由幾種不同類型的特殊肌細胞——心肌細胞——構建而成。若能提供組織工程器官，必將大受歡迎。

2008年，泰勒團隊培育的大鼠心臟試驗首次獲得成功，這使她對組織工程學的這一終極挑戰持有樂觀態度。“長遠看，我認為這是非常可行的，”她說，“但其過程并不簡單。”而瑞典斯卡羅琳斯卡醫學院的胸外科醫生保羅·馬基亞里尼 （PaoloMacchiarini）就沒有泰勒那么樂觀，盡管他已為數位患者進行過組織工程氣管移植手術。他認為，若要更換管狀結構的器官，如氣管、動脈和食管等，組織工程學可能會成為一種常規性做法。但對于更加復雜的諸如心臟等器官，是否能以同樣方式處理，他并沒有把握。

即使失敗，這樣的努力也是值得的。賓夕法尼亞州匹茲堡大學的阿勒詹多·S·古提瑞茲（Alejandro S.Gutiérrez）認為：“我們的目標是為移植手術制造器官，在這個過程中我們還可以學到更多的東西——包括更好地理解心臟的細胞組織結構——同時對于如何修復受損心臟，也會產生一些新的想法。”

關于支架

十多年前，生物學家已經在培養皿中把胚胎干細胞轉化為跳動的心肌細胞，并通過在其外部的一個小型電起博器，這些心肌細胞甚至能夠步調一致地跳動數小時。然而，若將培養皿中跳動的心肌細胞變為一個能正常運轉的心臟，需要一個支架在三維空間里對這些細胞進行協調，研究人員也許最終能夠創造出這種三維立體結構。

繼今年早些時候人造氣管的出現，在可預見的未來，人造心臟結構的復雜性甚至將超出最精密的儀器，尤其是其脈絡復雜的毛細血管，更是如此。后者為心臟提供所必須的氧和營養成分，同時從其組織深處移走代謝物。美國北卡羅萊納州維克森林大學的泌尿科醫師安東尼·阿塔拉（AnthonyAtala）說：“（人造心臟）面臨的一大挑戰就是血管分布問題。”之前他已成功地將組織工程膀胱植入到患者體內，現正在研究如何建造人造心臟。

對于建造心臟的科學家來說，其先進的技術一般包含重新利用生物學已經創造的東西。一切又是如何操作的？麻省總醫院外科醫師哈拉爾德·奧特（HaraldOtt）向我們展示了2005年在接受泰勒培訓時所采用的一種方法。

在一個由玻璃和塑料制成的小室里，一根塑料管懸浮著一顆新鮮的人類心臟，一個微型泵正通過塑料管向進入心臟的主動脈泵入試劑：脈動迫使主動脈瓣膜閉合，以此通過血管脈絡輸送這些試劑。該心臟的主人去世之前，正是通過血管脈絡為其供給營養的。奧特解釋說，此過程約持續一周左右，源源不斷的試劑可以除去脂類、DNA、可溶性蛋白質、糖類以及心臟內其他所有的細胞物質，只剩下網狀膠原蛋白、層粘連蛋白和其他結構蛋白：一種曾經使器官結合在一起的細胞外基質。

奧特認為，其中最棘手的部分就是確保試劑溶解掉的物質是適量的。如果溶解的太少，基質可能會保留一些細胞表面分子，這也許會導致器官接受者免疫系統的排斥反應。如果溶解的過多，可能會失去至關重要的蛋白質和生長因子，而這些對于新植入細胞的粘附或各種活動起到重要的引導和協調作用。哥倫比亞市ACell公司的去細胞化研究人員托馬斯·吉爾伯特（ThomasGilbert）說：“如果你使用的是比較溫和的試劑，且時間較短，那么結果更多的是一個重構反應。”該公司主要為再生醫學提供生產細胞外基質的產品。

通過對數百顆心臟和其他器官的反復試驗，研究人員初步掌握了試劑的恰當濃度及作用時間，優化了去細胞化的處理過程。這是組織工程器官生成過程中最完善的一個步驟，但這僅僅是第一步。接下來，需要用人類細胞來填充支架。

美國匹茲堡大學再生醫學研究人員斯蒂芬·巴迪拉克(StephenBadylak)認為，心臟支架不要求必須是人類的，豬的心臟也很適合于人類：后者擁有細胞外基質的全部關鍵成分，同時不太可能攜帶有人類疾病，而且也很少會因為疾病或是心臟復蘇努力而受損。“豬的組織比人類更安全，而且其供體是無限的。”

關于細胞

位于芝加哥市的西北大學范伯格醫學院的外科醫師杰森·韋特海姆（JasonWertheim）認為，“再細胞化”所面臨的一系列挑戰，“首先，應該使用什么細胞來填充？其次，要用多少細胞？再次，是用成熟細胞還是胚胎干細胞，或是誘導多能干細胞以及這些細胞的來源？”

泰勒認為，使用成熟細胞是件很棘手的事。“成人心肌細胞是不可能增殖的，”她說，“如果其可以增殖的話——受損的心臟就可以自我修復，也不必進行移植。當然，我們也就不用煞費苦心的研究這個問題了。”

定制的器官

要構建一個新的心臟，研究人員首先要將捐贈心臟（圖左）中的所有細胞全部移除，留下蛋白支架。然后在其中植入細胞（圖中），在培養因素和機械刺激的影響（圖右）下，細胞生長成熟。

在該領域，大多數研究人員目前使用兩種或兩種以上的細胞類型：用內皮前體細胞填充血管，或將肌肉前體細胞植入腔壁。例如，利用生長因子，奧特將成體干細胞轉化為類胚胎干細胞，以此獲得誘導多能干細胞。生長因子可以取自患者自身，用來制造與其免疫系統相匹配的組織。

理論上，誘導多能干細胞可以為人造心臟提供全套的細胞類型，包括血管細胞和多種類型的心肌細胞。但在實驗過程中，也會出現其自身的問題。其中之一便是人類心臟的體積大小。奧特認為，人類心臟的尺寸被嚴重地低估了。“制造100萬個細胞是一回事，但要制造1億或是500億個細胞就是另外一回事了。”而且，當利用誘導多能干細胞在成人心臟支架內進行胚胎干細胞發育時，研究人員并不確定能否培養出恰當的細胞類型，包括對支架進行填充時，一些未成熟細胞會出現提前發育的現象。

看來要使它們成為功能性的、跳動的心肌細胞，需要的不僅僅是氧化的媒介和生長因子。明尼蘇達州大學的安吉拉·P·莫泰里（AngelaP.Mortari）說：“細胞在感知因子的同時，還能感知它們所處的環境（剛度和應力）。反之，這可以促使細胞按照恰當的路徑發育。”莫泰里目前正試著建造可移植的肺。

重要的是，在細胞填充時，研究人員首先必須在可以模擬心臟跳動感覺的生物反應器中進行（類似心臟起搏器）。結合泵引發的物理跳動 （電子信號），目前奧特能夠使植入的支架其跳動的心肌細胞互相協調（見圖“定制的器官”）。然而，當試著模擬人體內的環境，例如心律和血壓的變化或藥物的作用，研究人員將會面臨持續不斷的問題。巴迪拉克說：“人體對物質產生反應后，體內環境會發生變化，其速度之快生物反應器是難以模擬的。”

為了去細胞化處理及重新培養發育大鼠心臟，泰勒和奧特首次研制出了生物反應器，并在其中進行了多次的實驗：將培養的大鼠心臟置于生物反應器八至十天，待心臟可以自行跳動后，其時泵血能力大約是成年大鼠心臟的2%。泰勒透露，實驗可以將大鼠及更大的哺乳動物其泵血能力提高到25%。雖然未公布該數據，但對于目前的努力方向，她與奧特充滿著期待。

關于跳動

最后的步驟也是最具挑戰性的：將組織工程制造的完整心臟植入活體動物體內，使其跳動盡可能長時間的持續下去。其時遇到的第一個障礙就是脈管系統的完整性。因為基質中任何裸露的部分都可能成為血凝塊的滋生地，而血凝塊對于器官或者動物本身來說是致命的。“你需要確保血管里內皮細胞的絕對完整，否則就可能出現凝塊或是滲漏。”吉爾伯特說。

奧特已經證明，組織工程器官可以在一段時間內存活。他的團隊將一個組織工程肺移植到大鼠體內，實驗表明，植入的肺能夠支持大鼠換氣，但肺腔內很快充滿了液體。年初，奧特團隊進行了大鼠的組織工程腎臟移植實驗，盡管該鼠存活下來也未出現凝塊，但腎臟過濾尿液的能力很弱。這或許是在培育過程中沒有產生腎臟所需的足夠的細胞類型所致。包括將重組的心臟植入大鼠體內的不同部位（頸部、腹部或大鼠的心臟附近），奧特團隊試圖通過血液給植入的心臟跳動一段時間，但是植入的心臟都無法履行真正的泵血功能。

看來，要想把組織工程心臟移植到更大型的動物體內，必須具備較強的泵血功能。巴迪拉克說：“從心臟移植到位的那刻起，你就必須保證它能夠很好地運作。如果移植的心臟只能達到正常心臟射血分數 （臨床上常用的心臟功能指標）的1%、2%或是5%，你就無法期待有好的結果。”莫泰里說：“幾十年來，我們在心臟移植方面所獲得的成就少之又少。”

在奧特看來，去細胞化過程至少能夠對組織工程瓣膜或心臟其他器官的培養起到促進作用。例如，與機械瓣膜或組織壞死瓣膜相比，組織工程瓣膜的持續時間可能更長，后者在體內有生長潛能并可進行自我修復，而且，不必將器官完全替代。巴迪拉克認為：“相信在未來五到七年的時間里，至少能夠實現對患者的部分動脈、肺葉、肝葉的移植。”例如，左心室發育不全綜合癥（一半的心臟嚴重發育不良），“通過修復另外一半的心臟，發育不良的那部分就可能自發地得到發育。”奧特說。

上述的這些努力，為心臟細胞療法的進一步發展奠定了基礎。例如，研究人員正在試著了解心臟細胞是如何在三維空間里發育和發揮作用的。未來，新細胞一定會在支架（合成的或是取自于尸體）上填充心臟的受損部分，或對其進行修復。

小室中那些漂浮著的如同幽靈般的器官，似乎是《科學怪人》里可怕情景的真實再現，泰勒說她熱愛這份工作。“的確，有時我會突然問自己：天啊，我到底在做什么？但更多的時候，只是聽到有個小孩子問我：‘你能救救我媽媽嗎？’這就讓我覺得自己做的一切都是值得的。”

[資料來源：Nature][責任編輯：則 鳴]

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在組織工程學領域，多麗絲·泰勒長期遵循著這樣一個原則，即采用自然的方法創造出修復心臟細胞的工具。在人造鼠臟實驗中，她和團隊成員采用“脫細胞”處理方法去除死老鼠心臟內的細胞，只留下由膠原蛋白、纖維粘連蛋白和層粘蛋白及外部結構組成的支架，然后注入取自新生老鼠的心臟細胞并放入營養液中培養。兩周之內，新細胞形成了一個跳動心臟的雛形。

泰勒的職業生涯是從阿爾伯特·愛因斯坦醫學院開始的，主攻基因療法，當她意識到再生人體器官的關鍵不在所需細胞的數量，而在于建構一個三維結構后，開始轉向細胞療法。而人造鼠臟的成功給泰勒帶來的啟示是：通過提取患者的干細胞并植入作為“支架”的尸體心臟內，是否可以培育出新的人體心臟，以及采用類似方法培育出腎、肝、肺等人體器官。

泰勒的初期目標是把人造鼠臟的實驗和技術應用到豬身上，長遠目標是把“人造心臟”的理論和技術應用于人類。泰勒認為，培育豬心臟的實驗意義更具針對性，因為豬心其大小和結構復雜程度，均與人類心臟相似，而且豬大量存在。當時的實驗過程，即從人體中提取細胞，植入去除了細胞的豬心瓣膜中以代替受損的人體心臟。

鑒于器官的生物基質成分不同，泰勒希望通過實驗能回答兩個基本問題：是否干細胞被植入任何器官內都能造出心臟、腎或其他器官？或者干細胞只能在相應的組織結構上才能發揮作用？即從一個人體器官中提取干細胞（如腎臟），然后把這些細胞植入腎臟、肝臟，或心臟，以驗證腎臟的干細胞是否只能造出腎臟，或也可以造出肝臟或者心臟。

泰勒對人造心臟的前景持樂觀態度：“如果能將這種心臟‘復活術’成功運用于人類，那么，為患者進行移植所需的人體器官就不再是‘一貨難求’，許多患者的生命也將得以挽救。”

雖然制造人工心臟還需要進一步長時間的研究，但人造鼠臟的成功，無疑讓我們看到了實現人造器官夢想的曙光。

[文/則 鳴]