互动科普

培育新器官

David J. Mooney，Antomos G. Miko

研究人员已采取初步措施来创造半合成的活器官，这些器官可以用作人类的替代器官。每天，成千上万的各种年龄的人固为某些重要器官失去功能而住进医院。由于缺乏可移植的器官，其中许多人将会死去。在也许是最引人注目的例子中，美国心脏协会报告，1997年在4万需要一个心脏的美国人中只有2300人得到了。救命的肝和肾同样稀缺，对烧伤和其他伤口不能愈合的患者来说皮肤也是稀缺的。有时修复损坏的汽车要比治疗汽车驾驶员更容易，因为可用备用的零部件重构汽车，这种奢华人类还不能随便享受。

然而，一项激动人心的新策略即将使治疗需要新关键器官的患者的方法发生革命性变化：制造人造器官，也就是新器官(neo-organ)。在一种方案中，组织工程师将特定分子(例如生长因子)注入或植入伤口或需要再生的器官之中，这些分子使得患者自身的细胞移向受伤之处，转变成适当的细胞类型从而使组织再生。第二种，也就是更雄心勃勃的方法则是患者接受细胞——或者是他(她)自己的或者是捐献者的——这些细胞预先收集起来并被放入用可生物降解的聚合物(如制造可溶解缝线者)做成的三维载体中。将细胞和载体组成的整个结构一起移植到受伤之处，细胞在此复制、重组并形成新的组织。与此同时，人工聚合物降解了，只把完全自然的最终产品——新器官——留在人体内。创造新器官把过去几十年间积累的生物学基础知识用在了组织和器官重构问题上，正如材料科学的进步才使全新的建筑设计成为可能。

科学幻想迷常常碰到组织工程的概念问题。各种电视节目和电影已经展现了单个的器官或整个人(或外星人)由几个分离的细胞在一缸某种神奇营养中生长出来的情景。组织工程还不能和这些幻想描写相媲美，但是己露出了未来的曙光。在美国各地的医院中，创造组织以用于治疗已是事实，尽管规模很有限。这些惊天动地的应用包括人造皮肤、软骨、骨、韧带和腱，它们使得关于“现货供应”完整器官的说法听起来不再显得是天方夜谈。

实际上，有充分证据表明，至少从理论上说有可能制造出大的复杂器官诸如肝、肾、乳房、膀胱和肠所有这些器官都包含许多不同种类的细胞。证据可以在任何待产妇的子宫中找到。在子宫里，少量来分化的细胞没法发育成一个具有多种器官和组织(具有极不相同的特性和功能)的复杂个体。只要没有任何不能预见的障碍，理出肝变成肝或肺变成肺之过程的细节最终将使研究人员复制这些过程。

关于蛋白质

当细胞接触到特定的生物化学因子时，它就会表现出可以预见的行为。在培养新组织的较简单技术中、工程师让受伤或损害器官接触促进愈合或再生的因子。这一概念的基础是骨和血管中的两项关键发现。

1965年，加州大学洛杉矶分校Marshall R. Urist揭示，接受了粉末骨移植的动物会形成新的骨组织。他的这一发现引发了对控制这种活动的特定蛋白质(骨形态发生蛋白质或BMPs)的分离及相关基固DNA序列的测定。随后许多公司开始生产大量的重组人类BMPs，将编码BMPs的基因插入哺乳动物细胞系中，这些细胞系随后产生出这种蛋白质。

正在进行各种临床试验以检验这些骨生成促进剂再生骨组织的能力。目前这种正在经受检验的方法的应用包括治愈由意外事故造成的严重骨折以及促进病变牙周组织的再生。马萨诸塞州霍普金顿的创新生物分子公司最近完成的临床试验显示，BMP-7的确有助于治愈严重的骨折。这项试验跟踪了122名腿骨折患者，这些人的折断部分9个月后都未能再接合在一起。接受了BMP-7的患者的愈合情况与接受了骨外科移植(从其自己身体其它部位采集骨)的患者一样好。

制造新器官所面临的关键挑战是培育每个细胞。厚度大于几个毫米的组织需要血管来培育干II提供营养。幸运的是Judah Folkman做的研究表明，已在体内的细胞可用来培育新血管。此人是哈怫医学院儿童医院的癌症研究者，具有讽刺意味的是，几乎在30年前，他在预防癌性肿瘤形成的细胞生长研究中就清楚地认识到了这种可能性。

Folkmam发现生长的肿瘤必须长出自己的血管以为自身提供营养。1972年，他提出可用特定的分子来抑制这种血管生长或血管发生，从而或许能够饿死肿瘤。(攻击癌症的这种方式在1998年成了一项重大新闻事件。)意识到其它分子肯定能够促进血管发生，他和其他人随后鉴别出了每个种类的大量因子。

现在，组织工程师利用了这项成果。许多血管发生促进分子都有商用重组细胞形式，动物研究已显示这类分子能促进新血管生长，这些血管可绕过比如说冠状动脉的阻塞。组织工程师还在进行小规模试验以检验这种方法在对付人类受试者类似病情时的表现。

不过，在促进组织和器官形成的药物普遍应用之前，科学家必须克服几个障碍。到目前为止，只有调控骨和血管生长的因子被描绘清楚。要再生其它器官(例如肝)，还必须可靠地鉴别和生产促进其发育的特定分子。

另一个实际问题是怎样最佳地控制左右着器官再生的物质。研究人员必须回答这样一些问题：为实现希望的效果，需要哪一特定的分子浓度？细胞需接触多长时间？因子在体内的活性持续多久？当然，复杂器官需要多种因子，但是在器官的发育过中一个因子必须取代另一个因子的确切时间是什么？控制药物释放的技术，例如制药业开发的经皮膏无疑有助于解决这一系列问题。

特别地，可注射聚合物可促进生物活性分子向需要它们的地方释放且只需最小限度的外科手术。Mayo诊所的Michael J. Yaszemski、休斯顿M. D. Anderson癌症中心的Alan W. Yasko及本文作者之一（Mikos）正在为矫形应用开发新型可注射生物降解聚合物。这些聚合物是可以成形的，这样它们就能适应形状不规则的缺损，它们能够在10至15分钟内硬化，以便提供重构的骨骼区域，其机械特性类似于它们所代替的骨。随后这些聚合物以可控制的方式降解，经过数周到数月的时间，新生长的骨就充满了那个区域。

我们还在研究可注射生物降解水凝胶——明胶状充水聚合物——通过控制骨再生以治疗牙缺陷(例如牙齿和支撑骨间的不良连结)的潜在可能性。水凝胶包含着调节细胞功能和诱导骨形成的分予，它们提供新骨能够生长的媒介，并且使再生区域内形成的瘢痕组织尽可能地少。

案执安大学Jeffrey F Bonadio、Steven A Goldslein及其合作者(Bonadio，现在圣迭戈选择遗传学研究所）提出了常规药物释放的一种有趣变形方法。他们的方法将基因疗法和组织工程概念融合在一起。他们不直接控制生长因于，而是插入编码那些分子的基因。这些基因是质粒的一部分，而质粒是为此目的而形成的DNA环状片段。周围的细胞将DNA吸收并把它当作自身的DNA对待。这些细胞变成一些微小的工厂，产生出被质粒编码的因子。由于插入的DNA是自由移动的，而且并没有融合到细胞自身的DNA中去，它最终会降解，其产物不再被合成出来。质粒插入已成功地促进了动物的骨再生长，目前正在研究其效果的持续期有多长。

本文作者之一(Mooney)同Lonnie D. Shea及前述其他密执安大学同事最近用动物揭示，加入质粒的三维生物降解聚合物将在长时期内释放出DNA，同时又作为新组织形成的载体。当DNA移进聚合物载体时，它们就找到了进入邻近细胞的路径，随后细胞就表达所需要的蛋白质。这一技术使更精确地控制组织形成成为可能，有朝一日医生就能通过细胞控制分子产生的多少和时间范围，这些细胞吸收DNA并在不同时间释放多种基因以促进组织的分阶段形成。

关于细胞

显然，通过生长因子促进组织和器官发育是相当大的进步。但同组织工程的最终目标比较起来，它就黯然失色：从头开始创造出整个新器官。预先制造“备用部件”的科学幻想概念正在将细胞直接移植到体内的工作中慢慢成为现实，这些细胞随后就会发育成适当的身体部分。培育器官和组织的最佳途径依然是依靠体内自身的生化能力：利用三维载体将适当的细胞移到希望的部位，在人体或其它有机生命里面不是在外部的人工环境中培育生长。这种方法是由麻省理工学院Ioannis V Yannas、Eugene Bell和Robert S Langer、哈佛医学院Joseph P Vacanti以及其他人在70和80年代提出来的，现已实际上用于某些患者身上，特别是那些皮肤损伤或软骨受损者。

通常的步骤是使分离细胞在培养基中增殖。然后用这些细胞植入载体充当种子，典型的一种载体是由合成聚合物或胶原组成的(胶原就是形成大多数组织载体的白然支撑物的蛋白质)。除了单纯传送细胞之外，载体还为组织的形成创造和维持一个空间并引导其结构发育。从理论上讲，一旦某种器官或组织的发育规则被完全知晓，这些东西都能从一小点起动细胞中培育出来。(充分了解发育路径最终将使这种方法从身体转移到实验室中，使真正的“现货供应”器官成为可能。在紧急情况下外科医生就能立即移植这些器官——这是一个很诱人的想法，因为器官损坏很快就会导致死亡——而不用等数星期或数月在实验室培育新器官或利用生长因予诱导患者自己的身体培育组织。)

就皮肤而言，希望就在眼前。美国食品与药物管理局已经批准了一种活皮肤产品——其它产品正在通过有关的审批手续对皮肤的需求是巨大的：每年60万美国人经受糖尿病溃疡的煎熬，这种病难于治愈；60万人要割取皮肤去治疗皮肤癌；还有1万到1万5千人要进行皮肤植以治疗严重的烧伤。

下一种广泛用于人类的组织最有可能是矫形、颅面和泌尿手术中用的软骨。现在可得到的软骨不足以应付美国每年50万例损伤关节修复手术和另外2万8千例面部和头部修复手术的需要。软骨对营养需求不高，也不需要培育新血管，这对于工程组织的直接培育是个优势。

马萨诸塞州坎布里奇的基因酶组织修复公司已获得FDA的批准，从患者自身的细胞中获取修复创伤性膝软骨损害的工程组织。其方法是，在可能的情况下，从患者要修复的同一膝上采集细胞在实验室中培育，然后将这些细胞移植到创伤处。根据患者及其损害程度，完全再生需要12至18个月时间。伍斯特马萨诸塞大学医学院Charles A. Vaeanti、其兄弟Joseph Vaeanti、Langer及他们的同事已在动物研究中揭示，新软骨可以培育成耳状、鼻状及其它可辨认形状。

培育软骨相对容易，这已使哈佛医学院儿童医院的Anthony J. Atala开发出了治疗泌尿失调(例如失禁)的新方法。马萨诸塞州坎布里奇Reprogenesis公司资助了Atala的研究，正在试验能否从患者身上获取软骨细胞，在实验室中增殖，然后将成块组织加到尿道或输尿管中以缓解成年人的尿失禁或儿童的膀胱回流。这些症状通常是因缺乏肌肉弹性而引起的，这种情况使尿不能按希望的那样流出，而对儿童综合征而言则是使尿被阻塞。现在，对严重的尿失禁或回流患者可以进行各种治疗，包括复杂的外科手术。成年人有时接受起着与软骨移植物相同作用的胶原，但胶原最终会降解新方法采用最小限度的侵入性外科手术来植入细胞并培育新组织。

北卡罗来纳州夏洛特卡罗来纳医学中心小Walter D. Holder、Craig R Halherstadt和作者之一(Mooney)已开始将这种一般的组织工程概念应用于一项重要的妇女健康问题。我们打算利用取自腿或臀部的组织来培育新的乳房组织从而取代在乳房切除术或肿块切除术中切除的乳房组织。我们建议提取患者组织的活体、并从中分离出的细胞，再在体外增殖这些细胞。然后用生物降解聚合物载体将妇女自身的细胞移回她的身体中。细胞返回身体之后，细胞生长和载体降解将导致全新的自然组织形成。这一过程仅会形成一种软组织群，而不是形成真正乳房的由多种细胞构成的复杂系统。然而，这可提供一条替代现今的乳房修复或移植的途径。

人类疾病的几个动物模型获得了成功，这激发了培育一种或多种细胞类型的较大新器官的乐观情绪。Mikos最近揭示，通过移植取自骨髓并在生物降解聚合物上培养的细胞能够培育新骨组织移植细胞至骨胳损伤处使细胞就地产生因子成为可能，从而提供一条生长促进药物释放的新途径。

未来的药方

在任何系统中，尺寸都意味着新需求。如前所述任何大尺寸的组织都需要血供给。为满足这种要求，工程师可能需要把适当类型的细胞和刺激血管发生的药物一起移植。促进血管生长的分子可能包容在作为移植载体的聚合物之中。作为一种选择方式，我们和其他人已经提出，在移植之前把将发育成血管的细胞融合到载体之中，就有可能在工程器官里产生血管网。随后只需将这些工程血管连结到周围组织上，就可使工程组织获得供血。

Mooney与密执安的Peter J. Polverini合作揭示，移植血管细胞确会形成这种连结，新血管是移植细胞和宿主细胞的联结纽带。但是，如果某部位的血管已因癌症治疗或创伤而损害，那么把工程组织移植到此处，这种技术就没有作用。在这种情形下就有必要先在身体的另一处(其血管更容易长入新结构)使组织增殖。Mikos与M. D. Anderson癌症中心的Michael J. Miller一起利用这种方法为修复外科手术制造血管化骨。例如，口腔癌患者的嘴周围接受放疗会损害对颌骨的血供给，此时可把颌骨连结到已经血管化的髋骨上进行生长。

另一方面，工程组织经常采用生物材料(例如胶原)，这些材料既可以得于自然，也可以从用于其它生物医学场合的材料改良而来不过，我们和其他人已开发出了专门适合于这种需要的新型生物降解聚合材料。这些材料能够精确确定工程组织的尺寸和形状，准确调控与材料接触的细胞的功能，而其降解速度最适合组织形成。

结构组织(诸如皮肤、骨和软骨)相对简单，因而它们最有可能继续在首批成功例子中充当主角。当然，组织工程梦寐以求的目标依然是完整的内部器官。例如，肝发生许多对生命来说极为关键的化学反应，每年都有3万多人死于肝病。至少从古希腊普罗米修斯传说时代起人们就认识到在受伤之后，肝对于部分再生具有独特的潜在作用现在组织工程师试图利用肝细胞的这种特性。

包括洛杉矶Cedars-Sinai医学中心Joseph Vacauti和Achiltes A. Demetriott在内的许多研究人员都己揭示，新的类肝组织能从移植动物中的肝细胞中产生出来。我们已经开发出了培育类肝细胞的新型生物材料，并已证明将药物加到移植肝细胞中能够促进其生长在所有这些研究工作中，培育的新组织都能取代动物肝的单项化学功能，但肝的整体功能尚不能再现。

H. David Humed（密执安)和Alala正在利用肾细胞制造具有肾之过滤性能的新器官。此外，Joseph Vacanli小组最近做的动物研究表明可以在腹腔培育肠并使之随后与现存肠组织融合。人类新肠组织可能是短肠综台征(由出生缺损或创伤引起)患者的福音。这种综合征因引起消化问题及相关的营养摄入不足而影响整个体质发育。现有的唯一治疗方法是进行肠移植，当然还是因为捐献器官极为短缺，只有很少的患者能接受此种手术。最近Atala还揭示，在动物中用此方法可以形成完整的脐胱并可用来取代原来自生的膀胱。

甚至心也是再生的目标。多伦多大学Michael V. Sefton领导的科学家小组最近开始了一项为每年死于心脏病的众多患者培育新心脏的雄心勃勃的工程。了解如何培育完整的心脏将耗费科学家10至20年的时间，不过培育心瓣膜和血管这些组织会快一些。实际上，包括加州拉霍亚先进组织科学公司和马萨诸塞州坎顿器官发生公司在内的几家公司试图开发培育这些组织的商用方法，预测(特别是医学预测)充满了风险。不过预测组织工程的未来的可靠方式可能是，估量一下该领域工作者在被告知一项特别的假想进展之后的惊奇程度。如果告诉我们5年内完整功能皮肤制造物对大多数医疗应用来说是可以获得的，我们将认为那是合理的。如果告诉我们完整功能可移植肝将在5年内得到，我们将极为怀疑。但结果告诉我们同样的肝会在比如说30年内得到，我们可能点头表示同意——那听起来是可能的。l万年前，农业的发展使人类不再依赖天然提供的食物。组织工程的发展将同样使我们摆脱人类机体的种种限制。

【朱平/译；郭凯声/校】