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(yī)學(xué)界的夢想。目前，研究人員正在運用組織工程學(xué)方法致力于新器官的培養(yǎng)，旨在讓這一夢想的實現(xiàn)成為可能。

當(dāng)多莉絲·泰勒（DorisTaylor）被人們稱為“弗蘭肯斯坦博士”（科幻小說《科學(xué)怪人》中的主人公，一個瘋狂的科學(xué)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(rèn)為這是一種侮辱?！笆聦嵣希@是我所獲得的最好的贊美之一，”并認(rèn)為這是對她的一種認(rèn)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(yī)學(xué)研究室主任，常常從剛?cè)ナ赖娜说氖w上取下器官，如心臟或肺，然后對其從細(xì)胞開始進(jìn)行重新建構(gòu)，希望它們能夠在生者體內(nèi)再次跳動或呼吸。而正是鑒于此，她不得不承認(rèn)，人們給她起這樣的綽號，比喻貼切。

在這一領(lǐng)域，泰勒是走在前沿的研究人員之一，她嘗試著重構(gòu)全新的器官，以避免器官移植接受者免疫系統(tǒng)出現(xiàn)排斥現(xiàn)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(xì)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(xì)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(zhàn)。

組織工程

關(guān)于培養(yǎng)和移植構(gòu)造相對簡單的器官，如氣管和膀胱，研究人員已經(jīng)取得了一些成就。但是，培養(yǎng)實質(zhì)性器官，如腎臟或肺，就意味著必須將幾十種細(xì)胞精確地置于恰當(dāng)?shù)奈恢茫瑫r還需要培養(yǎng)完整的血管脈絡(luò)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(zhuǎn)。理想的狀態(tài)是為患者服務(wù)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(xué)角度來說，面臨著不少的挑戰(zhàn)：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(xì)胞——心肌細(xì)胞——構(gòu)建而成。若能提供組織工程器官，必將大受歡迎。

2008年，泰勒團(tuán)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(xué)的這一終極挑戰(zhàn)持有樂觀態(tài)度。“長遠(yuǎn)看，我認(rèn)為這是非?？尚械模彼f，“但其過程并不簡單。”而瑞典斯卡羅琳斯卡醫(yī)學(xué)院的胸外科醫(yī)生保羅·馬基亞里尼 （PaoloMacchiarini）就沒有泰勒那么樂觀，盡管他已為數(shù)位患者進(jìn)行過組織工程氣管移植手術(shù)。他認(rèn)為，若要更換管狀結(jié)構(gòu)的器官，如氣管、動脈和食管等，組織工程學(xué)可能會成為一種常規(guī)性做法。但對于更加復(fù)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(xué)的阿勒詹多·S·古提瑞茲（Alejandro S.Gutiérrez）認(rèn)為：“我們的目標(biāo)是為移植手術(shù)制造器官，在這個過程中我們還可以學(xué)到更多的東西——包括更好地理解心臟的細(xì)胞組織結(jié)構(gòu)——同時對于如何修復(fù)受損心臟，也會產(chǎn)生一些新的想法?！?/p>

關(guān)于支架

十多年前，生物學(xué)家已經(jīng)在培養(yǎng)皿中把胚胎干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為跳動的心肌細(xì)胞，并通過在其外部的一個小型電起博器，這些心肌細(xì)胞甚至能夠步調(diào)一致地跳動數(shù)小時。然而，若將培養(yǎng)皿中跳動的心肌細(xì)胞變?yōu)橐粋€能正常運轉(zhuǎn)的心臟，需要一個支架在三維空間里對這些細(xì)胞進(jìn)行協(xié)調(diào)，研究人員也許最終能夠創(chuàng)造出這種三維立體結(jié)構(gòu)。

繼今年早些時候人造氣管的出現(xiàn)，在可預(yù)見的未來，人造心臟結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性甚至將超出最精密的儀器，尤其是其脈絡(luò)復(fù)雜的毛細(xì)血管，更是如此。后者為心臟提供所必須的氧和營養(yǎng)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(xué)的泌尿科醫(yī)師安東尼·阿塔拉（AnthonyAtala）說：“（人造心臟）面臨的一大挑戰(zhàn)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(nèi)，現(xiàn)正在研究如何建造人造心臟。

對于建造心臟的科學(xué)家來說，其先進(jìn)的技術(shù)一般包含重新利用生物學(xué)已經(jīng)創(chuàng)造的東西。一切又是如何操作的？麻省總醫(yī)院外科醫(yī)師哈拉爾德·奧特（HaraldOtt）向我們展示了2005年在接受泰勒培訓(xùn)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(jìn)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(luò)輸送這些試劑。該心臟的主人去世之前，正是通過血管脈絡(luò)為其供給營養(yǎng)的。奧特解釋說，此過程約持續(xù)一周左右，源源不斷的試劑可以除去脂類、DNA、可溶性蛋白質(zhì)、糖類以及心臟內(nèi)其他所有的細(xì)胞物質(zhì)，只剩下網(wǎng)狀膠原蛋白、層粘連蛋白和其他結(jié)構(gòu)蛋白：一種曾經(jīng)使器官結(jié)合在一起的細(xì)胞外基質(zhì)。

奧特認(rèn)為，其中最棘手的部分就是確保試劑溶解掉的物質(zhì)是適量的。如果溶解的太少，基質(zhì)可能會保留一些細(xì)胞表面分子，這也許會導(dǎo)致器官接受者免疫系統(tǒng)的排斥反應(yīng)。如果溶解的過多，可能會失去至關(guān)重要的蛋白質(zhì)和生長因子，而這些對于新植入細(xì)胞的粘附或各種活動起到重要的引導(dǎo)和協(xié)調(diào)作用。哥倫比亞市ACell公司的去細(xì)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(jié)果更多的是一個重構(gòu)反應(yīng)?！痹摴局饕獮樵偕t(yī)學(xué)提供生產(chǎn)細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)品。

通過對數(shù)百顆心臟和其他器官的反復(fù)試驗，研究人員初步掌握了試劑的恰當(dāng)濃度及作用時間，優(yōu)化了去細(xì)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(xì)胞來填充支架。

美國匹茲堡大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究人員斯蒂芬·巴迪拉克(StephenBadylak)認(rèn)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(xì)胞外基質(zhì)的全部關(guān)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(fù)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?！?/p>

關(guān)于細(xì)胞

位于芝加哥市的西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)師杰森·韋特海姆（JasonWertheim）認(rèn)為，“再細(xì)胞化”所面臨的一系列挑戰(zhàn)，“首先，應(yīng)該使用什么細(xì)胞來填充？其次，要用多少細(xì)胞？再次，是用成熟細(xì)胞還是胚胎干細(xì)胞，或是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞以及這些細(xì)胞的來源？”

泰勒認(rèn)為，使用成熟細(xì)胞是件很棘手的事。“成人心肌細(xì)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(fù)，也不必進(jìn)行移植。當(dāng)然，我們也就不用煞費苦心的研究這個問題了?！?/p>

定制的器官

要構(gòu)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(xì)胞全部移除，留下蛋白支架。然后在其中植入細(xì)胞（圖中），在培養(yǎng)因素和機(jī)械刺激的影響（圖右）下，細(xì)胞生長成熟。

在該領(lǐng)域，大多數(shù)研究人員目前使用兩種或兩種以上的細(xì)胞類型：用內(nèi)皮前體細(xì)胞填充血管，或?qū)⒓∪馇绑w細(xì)胞植入腔壁。例如，利用生長因子，奧特將成體干細(xì)胞轉(zhuǎn)化為類胚胎干細(xì)胞，以此獲得誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。生長因子可以取自患者自身，用來制造與其免疫系統(tǒng)相匹配的組織。

理論上，誘導(dǎo)多能干細(xì)胞可以為人造心臟提供全套的細(xì)胞類型，包括血管細(xì)胞和多種類型的心肌細(xì)胞。但在實驗過程中，也會出現(xiàn)其自身的問題。其中之一便是人類心臟的體積大小。奧特認(rèn)為，人類心臟的尺寸被嚴(yán)重地低估了?！爸圃?00萬個細(xì)胞是一回事，但要制造1億或是500億個細(xì)胞就是另外一回事了?！倍?，當(dāng)利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在成人心臟支架內(nèi)進(jìn)行胚胎干細(xì)胞發(fā)育時，研究人員并不確定能否培養(yǎng)出恰當(dāng)?shù)募?xì)胞類型，包括對支架進(jìn)行填充時，一些未成熟細(xì)胞會出現(xiàn)提前發(fā)育的現(xiàn)象。

看來要使它們成為功能性的、跳動的心肌細(xì)胞，需要的不僅僅是氧化的媒介和生長因子。明尼蘇達(dá)州大學(xué)的安吉拉·P·莫泰里（AngelaP.Mortari）說：“細(xì)胞在感知因子的同時，還能感知它們所處的環(huán)境（剛度和應(yīng)力）。反之，這可以促使細(xì)胞按照恰當(dāng)?shù)穆窂桨l(fā)育?！蹦├锬壳罢囍ㄔ炜梢浦驳姆?。

重要的是，在細(xì)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(yīng)器中進(jìn)行（類似心臟起搏器）。結(jié)合泵引發(fā)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(xì)胞互相協(xié)調(diào)（見圖“定制的器官”）。然而，當(dāng)試著模擬人體內(nèi)的環(huán)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(xù)不斷的問題。巴迪拉克說：“人體對物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)后，體內(nèi)環(huán)境會發(fā)生變化，其速度之快生物反應(yīng)器是難以模擬的?！?/p>

為了去細(xì)胞化處理及重新培養(yǎng)發(fā)育大鼠心臟，泰勒和奧特首次研制出了生物反應(yīng)器，并在其中進(jìn)行了多次的實驗：將培養(yǎng)的大鼠心臟置于生物反應(yīng)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(shù)據(jù)，但對于目前的努力方向，她與奧特充滿著期待。

關(guān)于跳動

最后的步驟也是最具挑戰(zhàn)性的：將組織工程制造的完整心臟植入活體動物體內(nèi)，使其跳動盡可能長時間的持續(xù)下去。其時遇到的第一個障礙就是脈管系統(tǒng)的完整性。因為基質(zhì)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?！澳阈枰_保血管里內(nèi)皮細(xì)胞的絕對完整，否則就可能出現(xiàn)凝塊或是滲漏。”吉爾伯特說。

奧特已經(jīng)證明，組織工程器官可以在一段時間內(nèi)存活。他的團(tuán)隊將一個組織工程肺移植到大鼠體內(nèi)，實驗表明，植入的肺能夠支持大鼠換氣，但肺腔內(nèi)很快充滿了液體。年初，奧特團(tuán)隊進(jìn)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(xiàn)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(chǎn)生腎臟所需的足夠的細(xì)胞類型所致。包括將重組的心臟植入大鼠體內(nèi)的不同部位（頸部、腹部或大鼠的心臟附近），奧特團(tuán)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(nèi)，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(dá)到正常心臟射血分?jǐn)?shù) （臨床上常用的心臟功能指標(biāo)）的1%、2%或是5%，你就無法期待有好的結(jié)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?！?/p>

在奧特看來，去細(xì)胞化過程至少能夠?qū)M織工程瓣膜或心臟其他器官的培養(yǎng)起到促進(jìn)作用。例如，與機(jī)械瓣膜或組織壞死瓣膜相比，組織工程瓣膜的持續(xù)時間可能更長，后者在體內(nèi)有生長潛能并可進(jìn)行自我修復(fù)，而且，不必將器官完全替代。巴迪拉克認(rèn)為：“相信在未來五到七年的時間里，至少能夠?qū)崿F(xiàn)對患者的部分動脈、肺葉、肝葉的移植。”例如，左心室發(fā)育不全綜合癥（一半的心臟嚴(yán)重發(fā)育不良），“通過修復(fù)另外一半的心臟，發(fā)育不良的那部分就可能自發(fā)地得到發(fā)育?！眾W特說。

上述的這些努力，為心臟細(xì)胞療法的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。例如，研究人員正在試著了解心臟細(xì)胞是如何在三維空間里發(fā)育和發(fā)揮作用的。未來，新細(xì)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?qū)ζ溥M(jìn)行修復(fù)。

小室中那些漂浮著的如同幽靈般的器官，似乎是《科學(xué)怪人》里可怕情景的真實再現(xiàn)，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?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則 鳴]

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在組織工程學(xué)領(lǐng)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(chuàng)造出修復(fù)心臟細(xì)胞的工具。在人造鼠臟實驗中，她和團(tuán)隊成員采用“脫細(xì)胞”處理方法去除死老鼠心臟內(nèi)的細(xì)胞，只留下由膠原蛋白、纖維粘連蛋白和層粘蛋白及外部結(jié)構(gòu)組成的支架，然后注入取自新生老鼠的心臟細(xì)胞并放入營養(yǎng)液中培養(yǎng)。兩周之內(nèi)，新細(xì)胞形成了一個跳動心臟的雛形。

泰勒的職業(yè)生涯是從阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院開始的，主攻基因療法，當(dāng)她意識到再生人體器官的關(guān)鍵不在所需細(xì)胞的數(shù)量，而在于建構(gòu)一個三維結(jié)構(gòu)后，開始轉(zhuǎn)向細(xì)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(xì)胞并植入作為“支架”的尸體心臟內(nèi)，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(biāo)是把人造鼠臟的實驗和技術(shù)應(yīng)用到豬身上，長遠(yuǎn)目標(biāo)是把“人造心臟”的理論和技術(shù)應(yīng)用于人類。泰勒認(rèn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，均與人類心臟相似，而且豬大量存在。當(dāng)時的實驗過程，即從人體中提取細(xì)胞，植入去除了細(xì)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(zhì)成分不同，泰勒希望通過實驗?zāi)芑卮饍蓚€基本問題：是否干細(xì)胞被植入任何器官內(nèi)都能造出心臟、腎或其他器官？或者干細(xì)胞只能在相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)上才能發(fā)揮作用？即從一個人體器官中提取干細(xì)胞（如腎臟），然后把這些細(xì)胞植入腎臟、肝臟，或心臟，以驗證腎臟的干細(xì)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(tài)度：“如果能將這種心臟‘復(fù)活術(shù)’成功運用于人類，那么，為患者進(jìn)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?！?/p>

雖然制造人工心臟還需要進(jìn)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(xiàn)人造器官夢想的曙光。

[文/則 鳴]