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人造器官,遙遠的征途

胡?琦

2015年07月31日08:28    來源:《中國科學報》    手機看新聞
原標題:人造器官,遙遠的征途

  科學家希望通過人造器官來滿足器官移植的需要。本版圖片來源:百度圖片

  自從多能干細胞具有向特定器官分化的能力被發現以來,人造器官已經成為了干細胞應用的主要方向。然而,從一滴血,到一段血管、一塊軟骨、一片皮膚,再到最終的肝臟、腎臟乃至心臟,人類的人造器官“夢”依然充滿挑戰。

  在各個國家,每天都有因等不到器官而死亡的人,這表明了器官移植供求之間的簡單關系。自從多能干細胞具有向特定器官分化的能力被發現以來,人造器官已經成為了干細胞應用的主要方向。然而,從一滴血,到一段血管、一塊軟骨、一片皮膚,再到最終的肝臟、腎臟乃至心臟,人類的人造器官“夢”依然充滿挑戰。

  干細胞重建“迷你”心臟

  近日,美國加州大學伯克利分校的研究人員與美國格拉德斯通心血管病研究所的科學家們合作,對從人體皮膚提取的多能干細胞進行遺傳重組,使用生物化學和生物物理學方法,促使干細胞分化並自我組織成這個包括微心室在內的微型心臟組織,這顆“小心臟”能像完整大小的心臟那樣“搏動”。相關研究發表在最新一期的《自然·通訊》雜志上。

  加州大學伯克利分校生物工程學教授凱文·希利在接受英國《每日郵報》採訪時指出,這是首個在試管中培育出的人體微心室。研究人員可以有機會深入了解心臟的發育過程。

  盡管這顆“心臟”還隻處在人類心臟早期發育的階段,用於器官移植為時尚早,但研究人員卻可以利用它進行藥物測試。

  此前,人類心臟疾病的研究模型主要是使用實驗鼠的心肌細胞來對心臟微組織進行研究的,而由人類干細胞發育而成的“迷你”心臟構建的實驗模型,則更接近人類身體的真實狀況,它甚至有可能替代動物實驗。

  這一次,研究人員瞄准的就是可能產生心臟先天缺陷的藥物——沙利度胺。他們將這些正在分化的細胞暴露在沙利度胺中,結果發現在治療劑量下,這種藥物會引發微室的異常發展,包括體積減小、肌肉收縮問題和較低的心率。

  格拉德斯通心血管病研究所資深研究員布魯斯·康克林特別提到,美國每年有多達28萬名懷孕婦女都暴露在具有潛在胎兒風險的藥物下。最常見的先天缺陷就是涉及心臟,因此,產生心臟缺陷的潛在可能性是決定孕期藥物安全的最重要的問題。

  事實上,早在這項研究完成幾個月前,研究團隊就在一個芯片上,利用從成年人皮膚組織裡提取的基因重新編碼的干細胞,分化形成能夠搏動的人類心臟細胞的小室。

  多能干細胞最初被放置在一個圓形表面,用來調節細胞的分化。兩周后,生長在二維表面環境的干細胞開始形成三維結構,成為了一個搏動的微室。

  有“形”不等於有“功能”

  這項研究提供了一種重要的藥物篩選的便捷方式,但它的准確性還是受到了一定程度的擔憂。

  中國人民解放軍307醫院全軍造血干細胞移植中心主任陳虎解釋,從多能干細胞分化而來的心肌細胞自己就能有節律的伸縮、跳動,然而,這顆“迷你”心臟距離真正擁有完整功能的心臟還差得很遠。

  “多能干細胞定向分化成器官,除了要分化成功能細胞,比如心臟的心肌細胞,還要形成三維空間的支架結構。”陳虎說。然而,無論是心臟還是肝臟、腎臟,其結構的復雜程度還是讓當下的科學技術有些“力不從心”。例如,為心臟提供氧氣和排除廢物的毛細血管,其網絡結構極其繁復,如何在定向分化過程中形成准確的排布,科學家們還無從控制,也就難以使這些器官真正行使自己的功能。

  早在《時代》周刊評出的2008年十大醫學突破中,在一例支氣管移植手術中,由於捐獻的氣管上的細胞受到了破壞,移植后容易產生排斥,醫生就用患者的干細胞培養出的氣管組織修復捐贈的氣管。這也被稱為是首次干細胞“器官移植”。

  2012年,轟動一時的日本再生科學綜合研究中心教授?井芳樹領導的研究小組利用小鼠的胚胎干細胞,成功地在試管中培養出了被稱為“視杯”的視網膜組織。

  “視杯”是胚胎發育初期形成的視網膜結構,研究人員將“視杯”再持續培養兩周后,形成了接近新生小鼠視網膜的組織。有望應用於可導致失明的視網膜色素變性症等目前無法治療和預防的眼科疾病,這類手術則寄希望於通過移植視網膜組織,代替眼睛裡受損的薄膜,從而進行治療。

  再如,2013年《自然·通訊》雜志上的一項重建小鼠心臟的研究中,研究人員是先將老鼠心臟內的細胞移除,再用從人體皮膚獲得的誘導多能干細胞分化形成的多能心血管前體細胞,放入剩下的心臟架構內,使其重建並再次跳動起來。

  在陳虎看來,目前人造器官的應用研究本質上主要還是對已有器官的修復和改良,還無法將完整器官進行替換。

  國家干細胞工程技術研究中心主任、中國醫學科學院血液學研究所教授韓忠朝告訴《中國科學報》記者,在體外讓多能干細胞分化成具有正常功能的復雜的三維結構的器官之所以難度很大,一個重要原因在於,“器官的發育是由人類長期進化而來的機制所決定的,不同的器官所需要的條件也並不相同”。

  “細胞能感知到所處的環境,因此,人為模擬重現體內的調控環境就顯得非常重要。”韓忠朝說,“問題在於,不同器官的發育條件、機制科學家們並沒有全部掌握,這仍有賴於大量基礎研究的進展。”

  例如,科學家已經可以誘導胚胎干細胞變成心臟細胞,但促進其成熟成為成體狀態的心臟細胞卻是一大難題,科學家需要找到可以促進心臟細胞成熟的主要“分子開關”。2015年,華盛頓大學的研究人員就發現,名為let-7 microRNA的分子或可通過扮演關鍵的基因調節子來驅動細胞代謝和功能性的成熟,它對於誘導干細胞分化的心肌細胞的成熟非常關鍵。

  當干細胞遇上3D打印

  在干細胞培育人體組織器官的道路上還有很多困難有待克服,然而,自從3D打印技術被引入生物工程技術領域以來,科學家發現,人們距離實現人造器官夢似乎又進了一步。

  通俗地理解,當干細胞遇上3D打印時,科學家首先可以利用3D技術設計出組織器官的立體構架,然后將與組織器官移植受體匹配的多能干細胞接種到器官支架上進行分化和生長,在培養完成后接種至體內。

  去年,南京醫科大學就利用“融合3D打印和干細胞技術”成功“制造”了兔肩關節。他們以3D打印技術制造出支架,在支架內富集骨髓血,並使用特定的方法誘導其中的間充質干細胞向軟骨細胞分化。打印材料是可降解的生物材料,可在2年左右的時間內緩慢被人體降解。

  韓忠朝表示,“3D打印與組織工程的結合,必定會帶來個體化植入物制作及組織工程技術的革命,是21世紀最重要的醫學科技之一”。

  “但在這項技術中需要滿足三個條件,種子細胞、可降解的生物材料、模擬人體內的培養環境。”韓忠朝說。

  首先,除胚胎干細胞以外,iPS誘導多能干細胞被寄希望於能廣泛用於組織器官再生的種子細胞,但這種方法需要使用逆轉錄?病毒“改造”體細胞,這種病毒可能使基因產生變異,引發腫瘤等副作用至今還沒有被克服。

  於是,科學家又開始嘗試用小分子化合物誘導體細胞重編程為多潛能干細胞,這也是近年來開辟的一條全新的實現體細胞重編程的途徑。這種方法可以避免復雜的基因操作及由此引起的基因組不穩定的顧慮。不過,它的分化、增殖功能,以及安全性問題,仍在研究過程中。

  其次,如何“指揮”種子細胞形成人體器官同樣是構成“融合3D打印和干細胞技術”的重要障礙。目前,3D打印技術已經可以打印出任何形狀的細胞,但距離重新制造出人體正常的器官還有很長的一段路。

  除此之外,韓忠朝還提到,人造器官植入人體后,是否能與人體自有的內分泌系統、神經系統等相適應和協調,以保持長久的存活且行使正常的功能,將是這項技術成功與否的最后一道關。

(責編:許景(實習生)、馬麗)


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