世界首例生物肢體：實驗室里“種”出的前肢

安迪·科格倫

猜猜圖中的物體是什么？這看起來像是一截被砍斷的老鼠爪子，不過正確答案可能比你想象的更加振奮人心：這截大鼠前肢其實是科學(xué)家們在實驗室中用活體細胞培育出來的人工產(chǎn)物。盡管尚不完美，但這一技術(shù)可能會在未來幫助人們研制出真正具有生物學(xué)功能的義肢。我們目前將研究的重點放在前臂與手掌上，用于模型系統(tǒng)的建立與基本原理的驗證，同樣的技術(shù)還可應(yīng)用于腿和胳膊等其他四肢部位。

這是一項激動人心的新技術(shù)，但如何制作一條功能齊備的肢體將是一大挑戰(zhàn)。許多接受了截肢手術(shù)的患者身上安裝的義肢在外觀上毫無問題，但卻無法像真正的四肢那樣發(fā)揮功用?，F(xiàn)在，市面上又出現(xiàn)了一些利用仿生學(xué)的人工義肢，它們可以發(fā)揮功能，但不自然的外觀依舊是個硬傷。手部移植手術(shù)是另外一種解決方案，目前也有不少成功的案例，但為了防止身體出現(xiàn)排異反應(yīng)，接受移植的患者也需要終生服用免疫抑制藥物。而“生物肢體”一旦成功，以上諸多問題都將迎刃而解。這種肢體由患者自身的細胞“培植”而成，因此不需要免疫抑制藥物的輔助，而且它在外觀和運動功能上都將與自然狀態(tài)的肢體十分接近。這是對生物肢體培育的初次嘗試，而且據(jù)我所知，目前尚無其他技術(shù)培養(yǎng)的復(fù)合組織能夠達到我們的復(fù)雜度。

如何培育生物肢體

制作這條大鼠前肢的技術(shù)叫做“decel/recel”（分別是decellularization和recellularization的縮寫，意為“脫細胞化”與“再細胞化”），之前在實驗室中，這種技術(shù)已經(jīng)被用于研制人造心臟、肺臟和腎臟。利用該技術(shù)制作的一些簡單器官——例如氣管和聲帶——已經(jīng)被用于移植手術(shù)，并在不同程度上取得了成功。不過，它也遭到了一些非議。

人造器官的第一步是“脫細胞化”：供體的器官或肢體經(jīng)過去垢劑處理，剝離了全部的軟組織，僅留下由惰性的膠原蛋白構(gòu)成的器官“支架”，從而完好地保留它們原有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在此次培植大鼠前肢的實驗里，血管、肌腱、肌肉和骨骼處的膠原蛋白結(jié)構(gòu)在此步操作之后被存留了下來。

第二步就是“再細胞化”，這時要將接受移植個體的細胞“種”在器官支架上，然后將它們放在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，讓新的組織細胞依附支架生長起來，最終使器官重新恢復(fù)“有血有肉”的狀態(tài)。最終，新的器官上不會留下任何帶有供體細胞特征的軟組織，所以它也不會被受體的免疫組織識別為異己。這樣一來，排異反應(yīng)就可以避免了。

同樣是利用脫去細胞再培養(yǎng)的方法，造出一條前臂可比培養(yǎng)氣管難得多，因為前者需要培育更多種類的細胞。為了解決這個問題，首先將脫細胞后的大鼠前肢骨架置于生物反應(yīng)器當(dāng)中，并利用一套人工循環(huán)設(shè)備為其提供養(yǎng)分、氧氣以及電刺激。隨后，將人類內(nèi)皮細胞注入血管的膠原支架，1個小時之后，內(nèi)皮細胞重新附著在血管表面。這一步非常關(guān)鍵，因為這樣能使新長出來的血管更加結(jié)實，而不會在內(nèi)有液體循環(huán)的情況下出現(xiàn)破裂。

接下來，將小鼠成肌細胞、小鼠胚胎成纖維細胞以及人類內(nèi)皮細胞混合在一起，注入前肢支架中原本被肌肉組織占領(lǐng)的空位。2-3周后，血管和肌肉的重建完成。最后，再給前肢實施皮膚移植手術(shù)，終于大功告成。

不過，這條前肢的肌肉能用嗎？為了驗證這一點，研究團隊利用電脈沖刺激肌肉，發(fā)現(xiàn)大鼠爪子真的會做出抓握動作，而且肌肉的強制性張力達到了新生大鼠肌肉的80%。這說明

我們能夠?qū)崿F(xiàn)手掌的彎曲與伸展。我們還為若干只大鼠進行移植手術(shù)，實際檢測了這種生物肢體的功效。血管連接完成后，受體大鼠的血液順利流入了人造前肢的血管，并且能記錄到血流的脈動。不過，該技術(shù)并沒有在活體大鼠上測試肌肉運動功能或排異反應(yīng)。

面臨的難題

盡管在實驗室已經(jīng)完成了近百條大鼠前肢的脫細胞化，又給其中至少一半的支架“種”上了新的細胞，但目前需要做的工作還有很多。首先，需要在肢體里種上組成硬骨、軟骨等其他組織的細胞，觀察這些細胞能否再生。下一步，他們必須證明神經(jīng)系統(tǒng)也能完成重建。前人的手部移植手術(shù)結(jié)果表明，受體的神經(jīng)組織能夠延伸并穿入新接上的手掌，最終實現(xiàn)對新器官的控制。而人工培植的生物肢體是否也能做到這一步，還有待進一步實驗驗證。

目前，研究團隊已經(jīng)開始在靈長類動物的“支架”上培育人類血管細胞，這是通往人類生物肢體技術(shù)的第一步。與此同時，也開始在大鼠試驗用人類成肌細胞替代小鼠成肌細胞并觀察效果。不過，在滿足人體測試要求的生物肢體出現(xiàn)之前，這至少還需要等上10年。

“這是一次值得矚目的進步，而且具備堅實的科學(xué)基礎(chǔ)，不過，還需要解決一些技術(shù)上的難題?！辟e夕法尼亞州匹茨堡大學(xué)的史蒂芬·巴蒂拉克評論說，他曾經(jīng)在豬肌肉組織制成的支架上進行移植體培育，并在13名病人當(dāng)中成功實現(xiàn)了腿部受損肌肉的再生。在所有這些問題當(dāng)中，血液循環(huán)可能是最棘手的一個，而且必須確保內(nèi)皮細胞能覆蓋到最細小的毛細血管，這樣它們才不會塌陷并導(dǎo)致血栓。不過，將已知的生物學(xué)基本原理投入實際應(yīng)用其實是一個工程問題，工程師們就是這么做的。

其他一些研究者提出了更多批評意見?！皩τ谑诌@樣的復(fù)雜器官而言，其中的組織和結(jié)構(gòu)實在太多了，因此這種方法肯定是不現(xiàn)實的?！眾W地利維也納大學(xué)的奧斯卡·埃茲曼說，他曾經(jīng)發(fā)明了一種可以用“意念”控制的仿生手。他認為，要想讓一只手實現(xiàn)有意義的功能，就必須讓它長滿成千上萬的神經(jīng)，這在目前依舊是一個無法逾越的難關(guān)。所以，盡管這是一項很有價值的工作，但它在當(dāng)前只能停留在基礎(chǔ)研究階段，而無法進入臨床實踐。

設(shè)想，將來人類的器官捐贈計劃或許也將囊括四肢捐贈。用于再生血管的細胞可以從受體的小血管中獲得，而肌肉細胞則可從大腿等部位的大型肌肉中取得。如果提取大約5克的肌肉組織，就能從中培養(yǎng)出人類骨骼肌成肌細胞。

目前，如果你失去胳膊、腿，或是因為癌癥治療、燒傷等緣故損傷了部分軟組織，能供你選擇的治療方案是很有限的。而僅僅在美國就有150萬的截肢者，因此此項肢體再生研究具有重要的意義。endprint