無機活性材料助推類器官進人新紀元

想象一下，如果能用一小塊皮膚細胞培養出一個個人體器官儲存起來，等待人體衰老或病損時替換那些難以醫治的器官，特別是，培養出一個人的大腦，并使之擁有這個人的知識和思維能力，隨時準備替換…這一曾經只存在于想象中的場景，正隨著“類器官”技術的發展將逐漸成為現實。事實是，在當代生物醫學研究領域，類器官技術正掀起一場靜默的革命。

類特異以分化、自組織形成具有特定器官結構和功能的微型器官一不僅能夠模擬真實器官的結構和功能，更為疾病研究、藥物開發和再生醫學帶來前所未有的可能性。而在這場革命中，一類看似與生命科學相關性不大的材料一無機活性材料，正悄然成為推動類器官技術發展的重要力量。

從概念到現實的類器官構建技術

類器官，這個聽起來有些科幻的名詞，實際上是指利用干細胞在體外培養出的肉眼可見的團塊。它們能夠自發組織形成具有特定器官結構和功能的微型器官。2009年，荷蘭科學家首次成功培養出具有腸道絨毛結構的小腸類器官，開啟了這一領域的研究熱潮。

類器官的培養主要依賴三類干細胞，直接從組織中分離出來的成體干細胞（ASC，如腸道中的Lgr5+干細胞），具有發育成任何組織潛力的胚胎干細胞（ESC），以及人為以重編程技術將普通細胞（如皮膚細胞）強制“返老還童”而獲得的誘導多能干細胞（iPSC）。然而，大規模、精準培養類器官卻面臨關鍵挑戰：如何提供適合干細胞增殖和分化的微環境？錯誤的環境會導致干細胞分化為錯誤的器官一本來想培養出肝臟，結果卻長出了一個膀胱。如果細胞不增殖，組織培養和類器官培養就無從談起；如果細胞光增殖不分化，那長出的就是一堆純細胞團，成不了器官。傳統用于細胞培養的基質膠雖然常用，但其成分復雜、批次差異大，且存在病毒感染或帶入遺傳疾病的安全隱患。這時，無機活性材料以其獨特的性能優勢進入了科學家的視野。

無機材料的“生物活性”之謎

無機活性材料之所以能在類器官研究中大顯身手，關鍵在于它們能夠與生命系統產生積極的相互作用。這種作用的實現主要通過三條途徑影響類器官的發育，呈現三類“生物活性”。

通過iPSC培養類器官的示例圖

釋放離子，調控細胞無機材料如硅酸鈣、摻鍶的羥基磷灰石等，能夠在生理環境中持續釋放生物活性離子（ Ca²⁺ 、 SiO₄⁴⁺ 1 Sr²⁺ 等）。這些離子就像細胞的“化學語言”，能夠激活關鍵的細胞增殖或代謝的信號通路，將信號傳導入細胞核，使特定的基因轉錄為mRNA并運送出細胞核，然后mRNA在細胞質的核糖體上合成特定蛋白質，從而完成細胞分裂或實現特定功能，比如， Ca²⁺ 離子可激活 β 連環蛋白信號通路（ Wnt/β -catenin），促進干細胞增殖； SiO₄⁴⁺ 離子能增強線粒體活性，提升細胞能量代謝； Sr²⁺ 離子具有雙重調節作用，既能促進骨形成又能抑制骨吸收。在此領域，中國科學院上海硅酸鹽研究所的呂宏旭研究員團隊有多項重要研究成果，并正在進一步深入探索。

通過物理特性，發揮引導功能無機材料的導電性、表面形貌等物理特性，能夠直接影響細胞是增殖還是表現出特定的功能、行為。比如，石墨烯等導電材料可以傳遞電信號、促進心肌細胞的同步搏動，納米級的表面拓撲結構（凹凸不平的結構）能夠引導神經突起的定向生長，材料的軟硬度變化可影響干細胞向具有某種功能的細胞分化。

重塑細胞周圍的微環境無機材料可以改變培養基質的性質，比如，調節基質的力學性能（如硬度、彈性），影響細胞外基質的降解速度，促進血管網絡的形成等。

無機活性材料的突破性應用案例

在實際研究中，無機活性材料已經展現出了驚人的應用潛力。

案例一，增強心臟類器官。研究人員將導電硅納米線（e-SiNW）整合到心臟類器官中，結果發現他們能將電傳導速度提升約 50% ，電傳導得快才能保證心臟細胞步調一致地收縮，才能有力地將血液推送到全身各處。把導電硅納米線移植到心梗的老鼠心臟后，心臟功能恢復率達到約 60% ，同時心肌細胞的存活率提高3倍。

案例二，再生出皮膚類器官。科學家通過3D打印技術將硅酸鎂納米球整合到皮膚類器官支架中，成功誘導出毛囊和血管網絡。把皮膚類器官移植到老鼠傷口后，能成功長出毛發，密度還挺高，可達到120根 /mm² （數數你自己的頭發每平方毫米有多少根？），還能使傷口的血管生成因子表達量提升2.1倍。

案例三，構建藥物篩選平臺。采用石墨烯構建的場效應晶體管做成的傳感器，能實現類器官藥物反應的實時監測，檢測靈敏度達到0.1納安培水平，檢測效率提升20倍。

準化培養類器官的原材料、培養方法、培養步驟和檢測方法等。還有倫理考量，比如制定類器官研究的倫理邊界，不能隨意培養某個人的類器官，不能隨意買賣某人的類器官，不能通過類器官來窺探某人潛在的疾病，不能隨意將人和動物的細胞混合培養，構建不倫不類的混種器官，特別是對神經類器官（如人腦）的意識問題更需要謹慎對待。

類器官助力材料評估

有趣的是，類器官不僅受益于無機材料，也可反過來被用于評估待選材料的生物相容性以及安全性。肝臟類器官模型篩選發現，金納米顆粒的尖刺結構比球形結構的毒性要高7倍；肺類器官成功預測了多壁碳納米管存在可能導致肺纖維化的風險；在腸道類器官模型中顯示，生物玻璃微球可降低既是炎癥因子又是腫瘤生長因子TNF-α量達 75% 。

未來展望與挑戰

類器官的應用前景廣闊，研究進展迅速，但還有諸多問題亟需研究。比如，在現有的類器官中，人們最想知道腦類器官如何構建、培養。現有腦類器官僅相當于12周胎幾的發育水平，因體外培養沒有血液供應，缺少氧氣和營養，難以發育出更復雜的結構，沒顯示出“聰明才智”。移植入身體后，類器官與天然器官之間一定有相互作用，但如何相互作用，如何研究這種相互作用？如何模擬？難度很大，技術瓶頸不小。還有個不好解決的問題就是批次差異的問題。現有類器官培養技術在不同批次間，在結構和功能方面，存在的差異甚至高達15%～30% 。目前科學家正努力：開發多器官芯片系統，模擬人體器官之間的相互作用；設計智能響應材料，以精準調控類器官的培養和發育；建立標

跨界融合的類器官新紀元

無機活性材料與類器官技術的結合，代表了一場材料科學與生命科學的完美跨界。這種融合不僅解決了類器官培養中的關鍵技術難題，更為再生醫學、個性化醫療等領域開辟了新途徑。或許在不久的將來，我們能夠實現這樣的場景：醫生從患者身上取少量細胞，在實驗室培養出個性化的類器官，再用最合適的無機材料對類器官進行優化，然后篩選出最佳的用于治療的類器官。這一切，都將使精準醫療的夢想變得更加觸手可及。

在這場生命科學的革命中，無機活性材料已經從幕后走到了臺前，它們不再是冷冰冰的化學物質，而是成為生命再造工程中不可或缺的“智慧伙伴”。這種跨越無機與有機界限的融合，跨越無生命與有生命的造化，跨越無意識（思考）與有意識（思考）的鴻溝，或許正是未來醫學最具革命性的發展方向。 9本文作者翟萬銀博士是中國科學院硅酸鹽研究所期刊編輯部《計算材料學》（npjComputationalMaterials）的主編助理、編審，同時是《無機材料學報》的編輯，主要從事生物材料與組織工程學、生物化學與分子生物學以及人工智能與計算材料學等三個領域的科普創作