人工器官：親愛的，我把肺縮小了

姚人杰/編譯

人工器官：親愛的，我把肺縮小了

姚人杰/編譯

微型心臟、肺和其他器官宣示了藥物研究和探索的光明未來

1537年，德裔瑞士人帕拉塞爾蘇斯構(gòu)想了一種制造微縮人的方法，微縮人“看上去會相當(dāng)像人，但卻是透明的，沒有身體”。帕拉塞爾蘇斯稱呼其為“人造人”，然而生成它們的方案只是融合了煉金術(shù)和種間繁殖而已，在道德上不可接受。

如今，科學(xué)家對于人造人的概念又一次進(jìn)行了嘗試——但這一次他們使用了先進(jìn)的生物材料、工程技術(shù)和生理學(xué)見解，誘導(dǎo)細(xì)胞生長成為簡化卻功能齊備的微型心臟、肺和其他人類器官。這些人工器官被放置在類似微芯片的裝置上，由人造循環(huán)系統(tǒng)相連，從而生成“芯片上的人類”裝置，通常而言，它們的長度不會超過幾厘米。

科學(xué)家的目標(biāo)是讓生物材料研究重新“人類化”。一直以來，幾代科學(xué)家主要和培養(yǎng)在平坦的人工表面——最具代表性的是聚碳酸酯這樣的硬塑料，與活性材料毫無相似之處——上的單層細(xì)胞打交道，而那些人工表面又是放置在一層人工合成的細(xì)胞培養(yǎng)基里，其中只包含了最必要的離子、營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子。

不同的方法

唐納德·因格貝爾（Donald Ingber）是馬薩諸塞州波士頓哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所的創(chuàng)始主任。相對而言，因格貝爾這樣的研究者與同事們所設(shè)計(jì)的生物工程“人造人”旨在再現(xiàn)那些影響活體器官與組織內(nèi)的細(xì)胞的生理結(jié)構(gòu)、力量與相互作用。研究得出的試驗(yàn)性模型比傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)基更契合現(xiàn)實(shí)使用，比實(shí)驗(yàn)室使用的動物更貼近人類，但仍然尺寸足夠小，能放在顯微鏡下觀察。醫(yī)藥探索和測試花費(fèi)不菲，挑戰(zhàn)性巨大，這類模型有望消除其中的大量初始失誤和研究中進(jìn)入的死胡同。

當(dāng)前的藥物開發(fā)體系需要進(jìn)行多輪次的動物實(shí)驗(yàn)，有可能導(dǎo)致一些問題，因?yàn)槿祟悓τ诨衔锏男玛惔x常常與小鼠或其他實(shí)驗(yàn)動物非常不同。譬如說，曲格列酮最初于上世紀(jì)90年代中期在美國、日本和英國獲得批準(zhǔn)，可用以治療糖尿病，但在導(dǎo)致數(shù)百名病人肝衰竭（包括了63人死亡）后，該藥在2000年被撤銷批準(zhǔn)。早先的小鼠實(shí)驗(yàn)并未顯示出藥物的毒性。

真實(shí)的人類組織能夠被用來補(bǔ)充動物實(shí)驗(yàn)，但組織切片存活短暫，難以獲取。研究者也可以從相關(guān)的人類器官中提取原生細(xì)胞（譬如肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞），但是當(dāng)這些細(xì)胞被培養(yǎng)在平坦的塑料上時(shí)，它們會逐漸失去功能。更令人氣餒的是，器官能發(fā)揮機(jī)能，原因在于各種細(xì)胞類型之間的復(fù)雜的相互影響，而在培養(yǎng)基里難以再現(xiàn)這種復(fù)雜的相互影響，田納西州納什維爾范德比爾特大學(xué)的物理學(xué)家及生物醫(yī)學(xué)工程師約翰·威克斯沃（John Wikswo）如此說道?！岸鄻有允志o要?！彼f。

如今生物材料方面的進(jìn)步使得科學(xué)家能夠開始模擬這種組織過程，利用的是細(xì)胞在蛋白質(zhì)纖維（命名為細(xì)胞外基質(zhì)）網(wǎng)巢里自然排列好的過程。這些纖維不僅提供了實(shí)質(zhì)的支架，還與細(xì)胞表面的受體發(fā)生相互作用，觸發(fā)調(diào)節(jié)細(xì)胞生長與發(fā)育所必不可少的信號。盡管這些細(xì)胞外基質(zhì)的自然結(jié)構(gòu)難以復(fù)制，但是給塑料器件簡單地覆蓋上一層細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)，這樣就能給予培養(yǎng)的細(xì)胞一層舒適的表面，使其附著在上面，幫助細(xì)胞恢復(fù)部分自組織能力。

自然之力

在位于劍橋市的麻省理工學(xué)院，桑吉塔·巴蒂亞（Sangeeta Bhatia）領(lǐng)導(dǎo)的生物醫(yī)學(xué)工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種改進(jìn)良多的肝臟培養(yǎng)模型。他們將人類肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞放置在細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)構(gòu)成的島形結(jié)構(gòu)上，接著在周圍放置其他細(xì)胞類型，諸如皮膚成纖維細(xì)胞，它們會與這些肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞島發(fā)生相互作用，幫助維持肝臟特有的新陳代謝功能和基因活性圖譜，在其他情況下二者會丟失?！盎旧希覀兡茉诒P中創(chuàng)造出微型的人類肝臟?！卑偷賮喺f。這使得她的團(tuán)隊(duì)能夠研究人類特有的病原體引發(fā)的肝臟疾病，像肝炎和瘧疾這些疾病的病原體，要以模式生物來研究是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。

這些培養(yǎng)系統(tǒng)仍然缺乏真實(shí)器官的多層次三維特性，這一特征有可能顯著影響組織內(nèi)的細(xì)胞的行為。因此，研究者試圖讓培養(yǎng)系統(tǒng)更加貼近現(xiàn)實(shí)，使用特制的材料來增大它們的體積，甚至用細(xì)胞打印的工序來建構(gòu)出組織有序、培養(yǎng)妥當(dāng)、占據(jù)一定體積的大量細(xì)胞。通過改變酸堿度或者采用激光，多種水基水凝膠聚合物能從液態(tài)被誘導(dǎo)成固態(tài)，使得科學(xué)家能夠把既定的細(xì)胞群捕捉到固態(tài)基質(zhì)里。巴蒂亞的inVERT技術(shù)使用模具來產(chǎn)生水凝膠包裹下細(xì)胞的三維圖樣，接著在其上鋪放額外的數(shù)層細(xì)胞——按順序把不同細(xì)胞類型裝配成精心設(shè)計(jì)和定制出的組織，這種方式類似于版畫制作者添加一層又一層蠟版色彩，最終制作出一幅完整的藝術(shù)作品。

這些三維系統(tǒng)也許比傳統(tǒng)培養(yǎng)皿里的培養(yǎng)基更具生理學(xué)上的準(zhǔn)確性，但它們?nèi)匀粺o法重演許多核心器官的功能，只因它們是靜態(tài)的。在身體內(nèi)的動態(tài)環(huán)境下，物理力在感知環(huán)境的細(xì)胞表面蛋白質(zhì)上產(chǎn)生壓力和張力。在被人稱為“力學(xué)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)”的過程中，那些物理力生成生物化學(xué)信號，觸發(fā)細(xì)胞組織及行為的大幅變化。其中，最為普遍的現(xiàn)象就是血流產(chǎn)生的剪切力；血管內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞在靜態(tài)培養(yǎng)基里排列無序，但是在受到定向流體流動時(shí)，便會重組陣形，排列有序。長久以來，科學(xué)家使用生物反應(yīng)器系統(tǒng)來復(fù)制這樣的流動，但耗資巨大，儀器龐大笨重。作為替代方法，科研人員改造了那些為構(gòu)建硅芯片而研發(fā)的技術(shù)與工具，研制出尺寸縮減、基于微流體的生物反應(yīng)器——這些設(shè)備以玻璃和聚合物為基礎(chǔ)，擁有微小的泵、閥門和渠道，其引導(dǎo)液體的方式類似于微芯片挪動電子的做法。

“芯片上的器官”系統(tǒng)也能駕馭其他生物學(xué)相關(guān)的力，在因格貝爾這樣的研究者的工作中，尤其能清楚地看到。因格貝爾領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為了在微流體裝置內(nèi)模擬肺的情況，在一層多孔聚合物薄膜的兩側(cè)培養(yǎng)了源自肺泡的上皮細(xì)胞和源自血管的內(nèi)皮細(xì)胞。一側(cè)的細(xì)胞直接接觸空氣；另一側(cè)的細(xì)胞接觸流動的液體。通過對芯片上相鄰的孔洞周期性地施加真空，科學(xué)家能讓這些薄膜上的細(xì)胞層伸展和松弛，以此反映出呼吸引起的有節(jié)奏的應(yīng)變。這種人工肺接觸到細(xì)菌和引發(fā)炎癥的納米顆粒時(shí)，作出的反應(yīng)與人類相似，這樣使得因格貝爾的團(tuán)隊(duì)能探索肺水腫患者的雙肺內(nèi)部液體積聚背后的發(fā)病機(jī)理。通過在培養(yǎng)模型里選擇性地施加物理力，他的團(tuán)隊(duì)也能夠用少量細(xì)胞類型來再現(xiàn)眾多其他器官系統(tǒng)的真實(shí)功能。“我們要做的就是改變物理微環(huán)境而已，并且我們觀察到了其他人沒有見識過的行為?！彼f，“我們在腸道蠕動和腎臟內(nèi)液體流動的模型里見到了同樣的現(xiàn)象，逼真和穩(wěn)健的程度讓我們大為驚訝?！?/p>

連接器官芯片

研究者說，當(dāng)這些“芯片上的器官”整合在一起，成為人類軀體的簡化模擬時(shí)，這種技術(shù)的最可觀前景也就會到來。這種技術(shù)也許會在藥物測試中發(fā)揮巨大的效益，往往一種化合物的完整影響要等到藥物在肝臟中處理完畢或腎臟對藥物的排泄情況都獲知后，才會一清二楚。

邁克爾·舒勒（Michael Shuler）是紐約州伊薩卡康奈爾大學(xué)的一位生物醫(yī)學(xué)工程師，是這一領(lǐng)域的先驅(qū)者之一。舒勒的研究團(tuán)隊(duì)使用了舒勒稱之為“微觀細(xì)胞培養(yǎng)模擬設(shè)備”的儀器，分析各種化學(xué)物質(zhì)的毒性。這種儀器穩(wěn)定地把細(xì)胞培養(yǎng)液泵入培養(yǎng)室之間，而后者代表了哺乳動物不同的器官系統(tǒng)。在最初的測試?yán)铮搱F(tuán)隊(duì)在一套包含了肺、肝和脂肪組織的多器官設(shè)備里使用了家常可見的化學(xué)物質(zhì)萘（合成樟腦丸中的活性成分）。研究揭示了萘是如何被肝臟轉(zhuǎn)化成代謝物，從而引起細(xì)胞損傷、肺的衰亡——即便萘本身對肺來說是相對無害的?！凹偃缥覀儼迅闻K部件移除，我們不再觀察得到肺組織里的細(xì)胞死亡?！笔胬照f道。其他多器官系統(tǒng)繼而誕生，從最初在多孔薄膜上的二維細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)展到了更加復(fù)雜的三維水凝膠與其他基質(zhì)細(xì)胞聚集體培養(yǎng)。

在維斯研究所，因格貝爾與同事正在致力于把大量微型器官連接起來；2014年2月，他們抵達(dá)了關(guān)鍵的里程碑，成功地構(gòu)建了一套自動化系統(tǒng)，能保持10片器官芯片存活，在一周多的時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因格貝爾、舒勒與其他研究者也已經(jīng)顯示，更簡單的多個(gè)或單個(gè)器官構(gòu)架能存活多達(dá)一個(gè)月——足夠用來分析長期接觸某種化學(xué)物質(zhì)或產(chǎn)品引發(fā)的毒性了。

然而，把多個(gè)器官芯片連接在一起，并不像搭樂高積木那么簡單。最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)包括調(diào)整這些“在活體外”系統(tǒng)的尺度，以便符合人類的生理機(jī)能，譬如保持適當(dāng)?shù)牧黧w量（相對組織體積而言）。微流體系統(tǒng)讓少量的培養(yǎng)液從狹窄的渠道中流過，而渠道包含了三維細(xì)胞結(jié)構(gòu)，這樣就能比大體積的培養(yǎng)系統(tǒng)更好地反映現(xiàn)實(shí)的情況，但這些系統(tǒng)仍然必須經(jīng)過仔細(xì)謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)?！叭绻惆洋w積弄錯(cuò)了，突然間肝臟和腎臟就會浸沒在大量培養(yǎng)液里，它們不知道其他器官的存在?！蓖怂刮终f道。相對尺寸也至關(guān)重要：構(gòu)造微型的人類“芯片上的器官”并不僅僅是把每個(gè)器官縮小成一千分之一。器官尺寸是由多種多樣的因素決定的，包括有機(jī)體的質(zhì)量、表面積和流體體積。為了簡便之故，許多研究者期望以功能性為基礎(chǔ)來調(diào)整器官尺寸，保持器官相對符合生理學(xué)的輸出量，譬如調(diào)整組織室的尺寸，這樣仿真的肺隨著每次呼吸會吸入適當(dāng)量的氧氣，而肝臟會以同比率的速率代謝生物分子?！盎旧?，我對每個(gè)器官都當(dāng)成化學(xué)反應(yīng)器一樣對待?！笔胬照f道。

基質(zhì)材料也仍然是挑戰(zhàn)之一。多數(shù)“芯片上的器官”和“芯片上的軀體”裝置是構(gòu)造在聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料上的，這種聚合物廉價(jià)、透明、無毒、容易研發(fā)出原型。但PDMS也會吸收小分子——令人遺憾的是，其中包括了許多藥物——所以勢必要尋找到更加適合的聚合物材料。一種替代選項(xiàng)會是將用生物工程方法制造出的血管排列在芯片的聚合物渠道內(nèi)，連接各個(gè)不同的器官部分。2014年秋，巴蒂亞與波士頓大學(xué)的克里斯托弗·陳（Christopher Chen）、哥倫比亞大學(xué)的戈?duì)栠_(dá)娜·伍尼亞克-諾瓦科維奇（Gordana Vunjak-Novakovic）、耶魯醫(yī)學(xué)院的卡倫·赫希（Karen Hirschi）合作研發(fā)出一種多器官芯片，其中的心臟與肝臟部分用活體毛細(xì)血管連接。柏林工業(yè)大學(xué)的烏韋·馬克思（Uwe Marx）說，這樣會增加至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)一面。“這些血管中的細(xì)胞也在組織之間傳遞信息，”他說，“血管系統(tǒng)不僅僅只是為器官提供營養(yǎng)而已?！?/p>

然而，對于到底該把什么物質(zhì)泵入這些血管，研究者仍然不清楚；盡管我們身體里的每塊組織都由一種常見的流體——血液——供養(yǎng)，尋找一種血液替代品的行動仍在進(jìn)行之中，最終目的是讓所培養(yǎng)的許多種不同細(xì)胞類型都覺得那種血液替代品普遍適合?！拔覀円苍S最終會在芯片各處使用相同的流體，但在各個(gè)器官部分局部添加獨(dú)特的生長因子?！卑偷賮喺f道，“那有點(diǎn)像身體運(yùn)轉(zhuǎn)的方式?！北热缯f，假如肺組織需要一種會對肝臟或其他細(xì)胞類型造成不利影響的生物分子，它有可能會限制生物分子的影響區(qū)域，把它儲藏在一塊水凝膠貯藏區(qū)，緩慢釋放那種因子到進(jìn)入肺臟部分的培養(yǎng)液里。

簡單，但并非太過簡單

因格貝爾強(qiáng)調(diào)，他的首要目標(biāo)是反映器官的功能，而不是結(jié)構(gòu)?！拔覀儚淖詈唵蔚哪Ｐ烷_始做，觀察它能做什么，”他說，“假如有所遺漏，我們一步步地增加復(fù)雜性，假如沒有遺漏，那么我們就曉得無需增加復(fù)雜性了?！?/p>

然而，他也強(qiáng)調(diào)說，他的團(tuán)隊(duì)與維斯研究所的同事凱文·帕克（Kevin Parker）一道在追求一項(xiàng)崇高的目標(biāo)，希望能建構(gòu)出擁有盡可能多功能性的人體模型。設(shè)想中的模型會擁有能跳動的心臟，會翻江倒海的腸胃，會呼吸的雙肺，所有這些器官都由一套自動化系統(tǒng)維持。這也許比許多研究團(tuán)隊(duì)要求的模型復(fù)雜得多。威克斯沃的研究團(tuán)隊(duì)與之相反，在研究更為簡單的布置方案?！袄眠@些系統(tǒng)的終極方式，”他說，“會是讓任何一位有需要的生物學(xué)家能獲得小而廉價(jià)的裝置。”

這個(gè)領(lǐng)域的許多實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)創(chuàng)立了衍生公司來研發(fā)“器官芯片”平臺。2010年，烏韋·馬克思與他人共同成立了以柏林為基地的TissUse公司，該公司目前為藥物和毒理學(xué)測試提供兩種組織芯片。因格貝爾和舒勒也已經(jīng)開始創(chuàng)業(yè)。美國國立衛(wèi)生研究院與國防部高級研究計(jì)劃局共同撥款將近1.5億美元給一項(xiàng)跨機(jī)構(gòu)研究計(jì)劃，資助“芯片上的單器官”和“芯片上的軀體”裝置的研發(fā)。美國食品藥品管理局也已經(jīng)積極地參與進(jìn)來，探索這些裝置要如何適應(yīng)該局的監(jiān)管程序。

大多數(shù)人士都贊同，這些緊湊、直觀的“芯片上的器官”裝置提供了一扇真正的窗口，讓人類能夠窺視身體內(nèi)部的運(yùn)作，能讓藥物測試行業(yè)面目一新。日后研究者可以把傳感器融入其中，利用葡萄糖水平和酸堿度追蹤新陳代謝，或者精確地測量收縮肌的應(yīng)變，實(shí)時(shí)測量血流流速。比如說，這可以顯示出一種藥物是否有可能改變病人的心率或干擾肝臟功能。威克斯沃正在與范德比爾特大學(xué)的化學(xué)家約翰·麥克林（John McLean）合作，直接利用質(zhì)譜法把分子分析融入進(jìn)來，確定十分鐘內(nèi)極小的體積內(nèi)數(shù)以千計(jì)的生物分子的數(shù)量。模擬器官甚至能取下來做進(jìn)一步的組織學(xué)檢查，再放回原處，卻絲毫不會擾亂實(shí)驗(yàn)。

“現(xiàn)在的目標(biāo)是了解并理解迄今為止依靠動物實(shí)驗(yàn)或任何其他單細(xì)胞、單組織培養(yǎng)方案無法解開的疑問?！瘪R克思說道。除了能免得讓無數(shù)實(shí)驗(yàn)室動物喪命，這些裝置也能讓人類臨床試驗(yàn)效率大大提高——比方說，在臨床試驗(yàn)前評估試驗(yàn)藥物，只有最佳者才繼續(xù)進(jìn)行一期試驗(yàn)?！澳憧梢栽谖⑷祟愋酒蠝y試5到10種相關(guān)的藥物，再讓其中一種進(jìn)入下一環(huán)節(jié)?！蓖怂刮终f，“假如在一期試驗(yàn)時(shí)，有趣的現(xiàn)象發(fā)生了——無論是好事還是壞事——你都能把那些裝置重新拿出來，琢磨到底發(fā)生了什么事?！?/p>

威克斯沃說，最大希望在于，當(dāng)靜態(tài)培養(yǎng)基為基礎(chǔ)的研究轉(zhuǎn)變至能生成穩(wěn)定的生理數(shù)據(jù)流的動態(tài)平臺時(shí)，生物醫(yī)學(xué)研究會從中獲益?！拔覀兿Ｍ鞴傩酒强康米〉?，能用于實(shí)驗(yàn)；尺寸足夠小，能在孵育器里放入20片器官芯片；又價(jià)格足夠低廉，做完實(shí)驗(yàn)后就扔掉也沒關(guān)系。”

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：彥隱]