如何建造一个心脏

陈轶翔/编译

如何建造一个心脏

陈轶翔/编译

● 用人工方式培育心脏或其他器官，以解除饱受器官衰竭患者的痛苦是医学界的梦想。目前，研究人员正在运用组织工程学方法致力于新器官的培养，旨在让这一梦想的实现成为可能。

当多莉丝·泰勒（DorisTaylor）被人们称为“弗兰肯斯坦博士”（科幻小说《科学怪人》中的主人公，一个疯狂的科学家，用许多碎尸块拼接成一个“人”，并用电将其激活——译者注）时，她并不认为这是一种侮辱。“事实上，这是我所获得的最好的赞美之一，”并认为这是对她的一种认可，肯定了她所从事的研究正在打破可能的界限。泰勒是休斯顿市得克萨斯心脏病研究所再生医学研究室主任，常常从刚去世的人的尸体上取下器官，如心脏或肺，然后对其从细胞开始进行重新建构，希望它们能够在生者体内再次跳动或呼吸。而正是鉴于此，她不得不承认，人们给她起这样的绰号，比喻贴切。

在这一领域，泰勒是走在前沿的研究人员之一，她尝试着重构全新的器官，以避免器官移植接受者免疫系统出现排斥现象。理论上这看似很简单：首先，从尸体上（甚至不需要一定是人类的）取下器官并移除所有细胞，仅留下蛋白支架，然后用与接受移植的患者免疫相匹配的干细胞将其重新填充。然而，在实践过程中，研究人员却面临着巨大的挑战。

组织工程

关于培养和移植构造相对简单的器官，如气管和膀胱，研究人员已经取得了一些成就。但是，培养实质性器官，如肾脏或肺，就意味着必须将几十种细胞精确地置于恰当的位置，同时还需要培养完整的血管脉络使其存活。新的器官必须是无菌的，最重要的是能够正常地运转。理想的状态是为患者服务一生。

就心脏而言，是仅次于肾脏和肝的第三种最急需的可移植器官，仅在美国，就有3500个患者等待着心脏移植。但从移植和生物工程学角度来说，面临着不少的挑战：人造心脏必须不断地跳动，每天泵血大约7000升，心脏腔室和瓣膜由几种不同类型的特殊肌细胞——心肌细胞——构建而成。若能提供组织工程器官，必将大受欢迎。

2008年，泰勒团队培育的大鼠心脏试验首次获得成功，这使她对组织工程学的这一终极挑战持有乐观态度。“长远看，我认为这是非常可行的，”她说，“但其过程并不简单。”而瑞典斯卡罗琳斯卡医学院的胸外科医生保罗·马基亚里尼 （PaoloMacchiarini）就没有泰勒那么乐观，尽管他已为数位患者进行过组织工程气管移植手术。他认为，若要更换管状结构的器官，如气管、动脉和食管等，组织工程学可能会成为一种常规性做法。但对于更加复杂的诸如心脏等器官，是否能以同样方式处理，他并没有把握。

即使失败，这样的努力也是值得的。宾夕法尼亚州匹兹堡大学的阿勒詹多·S·古提瑞兹（Alejandro S.Gutiérrez）认为：“我们的目标是为移植手术制造器官，在这个过程中我们还可以学到更多的东西——包括更好地理解心脏的细胞组织结构——同时对于如何修复受损心脏，也会产生一些新的想法。”

关于支架

十多年前，生物学家已经在培养皿中把胚胎干细胞转化为跳动的心肌细胞，并通过在其外部的一个小型电起博器，这些心肌细胞甚至能够步调一致地跳动数小时。然而，若将培养皿中跳动的心肌细胞变为一个能正常运转的心脏，需要一个支架在三维空间里对这些细胞进行协调，研究人员也许最终能够创造出这种三维立体结构。

继今年早些时候人造气管的出现，在可预见的未来，人造心脏结构的复杂性甚至将超出最精密的仪器，尤其是其脉络复杂的毛细血管，更是如此。后者为心脏提供所必须的氧和营养成分，同时从其组织深处移走代谢物。美国北卡罗莱纳州维克森林大学的泌尿科医师安东尼·阿塔拉（AnthonyAtala）说：“（人造心脏）面临的一大挑战就是血管分布问题。”之前他已成功地将组织工程膀胱植入到患者体内，现正在研究如何建造人造心脏。

对于建造心脏的科学家来说，其先进的技术一般包含重新利用生物学已经创造的东西。一切又是如何操作的？麻省总医院外科医师哈拉尔德·奥特（HaraldOtt）向我们展示了2005年在接受泰勒培训时所采用的一种方法。

在一个由玻璃和塑料制成的小室里，一根塑料管悬浮着一颗新鲜的人类心脏，一个微型泵正通过塑料管向进入心脏的主动脉泵入试剂：脉动迫使主动脉瓣膜闭合，以此通过血管脉络输送这些试剂。该心脏的主人去世之前，正是通过血管脉络为其供给营养的。奥特解释说，此过程约持续一周左右，源源不断的试剂可以除去脂类、DNA、可溶性蛋白质、糖类以及心脏内其他所有的细胞物质，只剩下网状胶原蛋白、层粘连蛋白和其他结构蛋白：一种曾经使器官结合在一起的细胞外基质。

奥特认为，其中最棘手的部分就是确保试剂溶解掉的物质是适量的。如果溶解的太少，基质可能会保留一些细胞表面分子，这也许会导致器官接受者免疫系统的排斥反应。如果溶解的过多，可能会失去至关重要的蛋白质和生长因子，而这些对于新植入细胞的粘附或各种活动起到重要的引导和协调作用。哥伦比亚市ACell公司的去细胞化研究人员托马斯·吉尔伯特（ThomasGilbert）说：“如果你使用的是比较温和的试剂，且时间较短，那么结果更多的是一个重构反应。”该公司主要为再生医学提供生产细胞外基质的产品。

通过对数百颗心脏和其他器官的反复试验，研究人员初步掌握了试剂的恰当浓度及作用时间，优化了去细胞化的处理过程。这是组织工程器官生成过程中最完善的一个步骤，但这仅仅是第一步。接下来，需要用人类细胞来填充支架。

美国匹兹堡大学再生医学研究人员斯蒂芬·巴迪拉克(StephenBadylak)认为，心脏支架不要求必须是人类的，猪的心脏也很适合于人类：后者拥有细胞外基质的全部关键成分，同时不太可能携带有人类疾病，而且也很少会因为疾病或是心脏复苏努力而受损。“猪的组织比人类更安全，而且其供体是无限的。”

关于细胞

位于芝加哥市的西北大学范伯格医学院的外科医师杰森·韦特海姆（JasonWertheim）认为，“再细胞化”所面临的一系列挑战，“首先，应该使用什么细胞来填充？其次，要用多少细胞？再次，是用成熟细胞还是胚胎干细胞，或是诱导多能干细胞以及这些细胞的来源？”

泰勒认为，使用成熟细胞是件很棘手的事。“成人心肌细胞是不可能增殖的，”她说，“如果其可以增殖的话——受损的心脏就可以自我修复，也不必进行移植。当然，我们也就不用煞费苦心的研究这个问题了。”

定制的器官

要构建一个新的心脏，研究人员首先要将捐赠心脏（图左）中的所有细胞全部移除，留下蛋白支架。然后在其中植入细胞（图中），在培养因素和机械刺激的影响（图右）下，细胞生长成熟。

在该领域，大多数研究人员目前使用两种或两种以上的细胞类型：用内皮前体细胞填充血管，或将肌肉前体细胞植入腔壁。例如，利用生长因子，奥特将成体干细胞转化为类胚胎干细胞，以此获得诱导多能干细胞。生长因子可以取自患者自身，用来制造与其免疫系统相匹配的组织。

理论上，诱导多能干细胞可以为人造心脏提供全套的细胞类型，包括血管细胞和多种类型的心肌细胞。但在实验过程中，也会出现其自身的问题。其中之一便是人类心脏的体积大小。奥特认为，人类心脏的尺寸被严重地低估了。“制造100万个细胞是一回事，但要制造1亿或是500亿个细胞就是另外一回事了。”而且，当利用诱导多能干细胞在成人心脏支架内进行胚胎干细胞发育时，研究人员并不确定能否培养出恰当的细胞类型，包括对支架进行填充时，一些未成熟细胞会出现提前发育的现象。

看来要使它们成为功能性的、跳动的心肌细胞，需要的不仅仅是氧化的媒介和生长因子。明尼苏达州大学的安吉拉·P·莫泰里（AngelaP.Mortari）说：“细胞在感知因子的同时，还能感知它们所处的环境（刚度和应力）。反之，这可以促使细胞按照恰当的路径发育。”莫泰里目前正试着建造可移植的肺。

重要的是，在细胞填充时，研究人员首先必须在可以模拟心脏跳动感觉的生物反应器中进行（类似心脏起搏器）。结合泵引发的物理跳动 （电子信号），目前奥特能够使植入的支架其跳动的心肌细胞互相协调（见图“定制的器官”）。然而，当试着模拟人体内的环境，例如心律和血压的变化或药物的作用，研究人员将会面临持续不断的问题。巴迪拉克说：“人体对物质产生反应后，体内环境会发生变化，其速度之快生物反应器是难以模拟的。”

为了去细胞化处理及重新培养发育大鼠心脏，泰勒和奥特首次研制出了生物反应器，并在其中进行了多次的实验：将培养的大鼠心脏置于生物反应器八至十天，待心脏可以自行跳动后，其时泵血能力大约是成年大鼠心脏的2%。泰勒透露，实验可以将大鼠及更大的哺乳动物其泵血能力提高到25%。虽然未公布该数据，但对于目前的努力方向，她与奥特充满着期待。

关于跳动

最后的步骤也是最具挑战性的：将组织工程制造的完整心脏植入活体动物体内，使其跳动尽可能长时间的持续下去。其时遇到的第一个障碍就是脉管系统的完整性。因为基质中任何裸露的部分都可能成为血凝块的滋生地，而血凝块对于器官或者动物本身来说是致命的。“你需要确保血管里内皮细胞的绝对完整，否则就可能出现凝块或是渗漏。”吉尔伯特说。

奥特已经证明，组织工程器官可以在一段时间内存活。他的团队将一个组织工程肺移植到大鼠体内，实验表明，植入的肺能够支持大鼠换气，但肺腔内很快充满了液体。年初，奥特团队进行了大鼠的组织工程肾脏移植实验，尽管该鼠存活下来也未出现凝块，但肾脏过滤尿液的能力很弱。这或许是在培育过程中没有产生肾脏所需的足够的细胞类型所致。包括将重组的心脏植入大鼠体内的不同部位（颈部、腹部或大鼠的心脏附近），奥特团队试图通过血液给植入的心脏跳动一段时间，但是植入的心脏都无法履行真正的泵血功能。

看来，要想把组织工程心脏移植到更大型的动物体内，必须具备较强的泵血功能。巴迪拉克说：“从心脏移植到位的那刻起，你就必须保证它能够很好地运作。如果移植的心脏只能达到正常心脏射血分数 （临床上常用的心脏功能指标）的1%、2%或是5%，你就无法期待有好的结果。”莫泰里说：“几十年来，我们在心脏移植方面所获得的成就少之又少。”

在奥特看来，去细胞化过程至少能够对组织工程瓣膜或心脏其他器官的培养起到促进作用。例如，与机械瓣膜或组织坏死瓣膜相比，组织工程瓣膜的持续时间可能更长，后者在体内有生长潜能并可进行自我修复，而且，不必将器官完全替代。巴迪拉克认为：“相信在未来五到七年的时间里，至少能够实现对患者的部分动脉、肺叶、肝叶的移植。”例如，左心室发育不全综合症（一半的心脏严重发育不良），“通过修复另外一半的心脏，发育不良的那部分就可能自发地得到发育。”奥特说。

上述的这些努力，为心脏细胞疗法的进一步发展奠定了基础。例如，研究人员正在试着了解心脏细胞是如何在三维空间里发育和发挥作用的。未来，新细胞一定会在支架（合成的或是取自于尸体）上填充心脏的受损部分，或对其进行修复。

小室中那些漂浮着的如同幽灵般的器官，似乎是《科学怪人》里可怕情景的真实再现，泰勒说她热爱这份工作。“的确，有时我会突然问自己：天啊，我到底在做什么？但更多的时候，只是听到有个小孩子问我：‘你能救救我妈妈吗？’这就让我觉得自己做的一切都是值得的。”

[资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣]

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在组织工程学领域，多丽丝·泰勒长期遵循着这样一个原则，即采用自然的方法创造出修复心脏细胞的工具。在人造鼠脏实验中，她和团队成员采用“脱细胞”处理方法去除死老鼠心脏内的细胞，只留下由胶原蛋白、纤维粘连蛋白和层粘蛋白及外部结构组成的支架，然后注入取自新生老鼠的心脏细胞并放入营养液中培养。两周之内，新细胞形成了一个跳动心脏的雏形。

泰勒的职业生涯是从阿尔伯特·爱因斯坦医学院开始的，主攻基因疗法，当她意识到再生人体器官的关键不在所需细胞的数量，而在于建构一个三维结构后，开始转向细胞疗法。而人造鼠脏的成功给泰勒带来的启示是：通过提取患者的干细胞并植入作为“支架”的尸体心脏内，是否可以培育出新的人体心脏，以及采用类似方法培育出肾、肝、肺等人体器官。

泰勒的初期目标是把人造鼠脏的实验和技术应用到猪身上，长远目标是把“人造心脏”的理论和技术应用于人类。泰勒认为，培育猪心脏的实验意义更具针对性，因为猪心其大小和结构复杂程度，均与人类心脏相似，而且猪大量存在。当时的实验过程，即从人体中提取细胞，植入去除了细胞的猪心瓣膜中以代替受损的人体心脏。

鉴于器官的生物基质成分不同，泰勒希望通过实验能回答两个基本问题：是否干细胞被植入任何器官内都能造出心脏、肾或其他器官？或者干细胞只能在相应的组织结构上才能发挥作用？即从一个人体器官中提取干细胞（如肾脏），然后把这些细胞植入肾脏、肝脏，或心脏，以验证肾脏的干细胞是否只能造出肾脏，或也可以造出肝脏或者心脏。

泰勒对人造心脏的前景持乐观态度：“如果能将这种心脏‘复活术’成功运用于人类，那么，为患者进行移植所需的人体器官就不再是‘一货难求’，许多患者的生命也将得以挽救。”

虽然制造人工心脏还需要进一步长时间的研究，但人造鼠脏的成功，无疑让我们看到了实现人造器官梦想的曙光。

[文/则 鸣]