器官培育小史

发布时间：00年04月28日

David J. Mooney等编译戴雪梅

　　研究人员已经开始着手培育半合成的、可替换人体原生器官的活性器官。目前，每天都有成千上万的人因某些重要器官发生机能障碍而入院治疗。由于可供移植的器官十分有限，许多病人都无法躲避死神。例如，美国心脏协会的一份报告指出，1997 年全美有40000人需要移植心脏，但只有2300人得到了满足。此外，不论是治疗烧伤病人和伤口难以愈合的病人所需的皮肤，还是拯救危急病人所需的肝脏和肾脏，都极为匮乏。有人幽默地说“修复受损的汽车比治疗受伤的司机更容易”，因为汽车有大量的备用件，而“人体备件”对于人类来说，现在依然还是梦想。

　　令人激动的是，这个梦想正在逐步变为现实。研究人员已经开始尝试一种革命性的、崭新的治疗方案:培育人造的组织或器官(以下称为新生器官),以之作为人体组织或器官的备用件。他们向人们描绘了这样一幅近期图景:组织工程师在病人有再生需要的伤口或受损器官处导入一些分子，这些分子作为生长因子发挥作用，引起病人自身的有关细胞迁入患处，促进类型恰当的细胞生长，从而使得组织得以再生。更为雄心勃勃的远景是:从病人自身或捐赠者处采集有关细胞，将这些细胞安置在体外立体支架上，而后将细胞连同支架一起植入病人患处，细胞开始在病人体内复制、重组，最终将形成新生器官。至于成分为可降解的聚合物(如可溶解的医用缝线所用到的材料)的立体支架，则将逐渐分解、消失殆尽。值得一提的是，新生器官的培育,离不开最近几十年以来积累的组织和器官再生领域的生物学知识，以及材料科学的进步。

　　科幻迷们会经常碰到组织工程这个概念。许多影视科幻节目拍摄过从培养皿中培育出来的单个器官甚至完整的人。遗憾的是，当前组织工程技术的发展仍然落后于上述科学幻想，但值得庆幸的是，组织工程技术现有的进展已经为人们勾勒出了未来的发展轮廓。如今，至少在美国，培育人体部分组织供医用已经成为现实。例如，目前已有人工皮肤、软骨、骨头、韧带和腱。也许在不久的将来，“现货供应的器官” 就不再只是幻想了。

一些蛋白质

　　对骨骼和血管的观测资料表明，当让细胞与特定的生化因子接触时，细胞将发生特定的反应。在比较简单的新组织培育情形中，组织工程师们就是使伤口或受损的器官与那些充当愈合或再生催化剂的生化分子接触。

　　1965年，加州大学洛杉矶分校的尤里斯特(Marshall R. Unist) 证实:接受骨粉移植的动物体内会形成新的骨组织。这直接导致了“骨形成蛋白质(BMPs)”及有关的DNA基因序列的发现。而后，许多公司把为BMP's编码的基因导入由哺乳动物细胞构成的“生产线”，开始生产“人骨形成蛋白质”。

　　如今一些研究人员正在临床测试人骨形成蛋白质在骨组织再生过程中的作用。如一些测试对象是因事故导致严重骨折的病人，以及病变的牙周组织需要再生的患者。马萨诸塞州的生物分子学家们最近完成的临床试验表明: BMP- 7确实有助于愈合严重骨折。他们的测试对象是122个腿骨骨折期长达9个月的病人。就愈合效果而言，使用BMP-7与接受骨(来自病人自身其他部位的骨组织)外科移植手术一样好。

　　制造新生器官所遇到的一个重要挑战是如何给予每个细胞养分。虽然组织仅有几毫米厚，却仍需有血管伸入提供养分。福克曼(Judah Folkman) 所做的试验显示:能够诱使体内已有的细胞生成新的血管。福克曼是哈佛医学院儿童附属医院的癌症研究人员。与此相映成趣的是，大约30年前，福克曼恰恰是在从事有关抑制癌细胞生长的研究工作时，才初步认识到了这种可能性。

　　如今，组织工程师们正广泛应用着福克曼的工作成果。许多血管生长的促进因子已经商品化，而且动物试验表明它们确实能够促进生成新的血管，用以代替内部存在血液循环障碍物的部分原生血管(如管状动脉)。小规模人体临床试验现正在进行。

　　此外，如何最优地管理在器官再生过程中起作用的各种物质，也是一个实际问题。为此，研究人员必须解答以下问题:为了达到预期效果，各种因子的浓度应为多少?细胞和因子应该接触多久?因子在体内的作用时间应为多久?既然一个复杂器官的生成需要多种因子，那么一种因子应该在何时替代另——种因子发挥作用?目前制药业中采用的药物受控释放技术对研究人员解决上述问题将有所帮助。

　　特别地，研制可注射的聚合物确保以最少的外科手术、更便捷地把生物活性分子发送到目的地也是当前重要的研究方向。正在研制中的一种聚合物是可模压的，以便适应那些形状不规则的患处。植入患处之后，它们能在10~15分钟里硬化，这给重构骨骼的区域提供了与那些被替代的骨组织相类似的物理属性。这些聚合物在随后的几周或几月里，将逐渐受控降解，由新生的骨组织取而代之。

　　我们已经着手研究可注射的、可生物降解的水凝胶(胶状的、充水的聚合物),它们将用于治疗牙科疾病。例如，通过骨组织再生，可以改善牙齿和牙床骨之间的联接状况。这些水凝胶既含有调节细胞功能的分子，也含有促进骨组织形成的分子。它们既为新的骨组织的生长提供了必需的支撑物，也将使得再生区域的伤疤组织生成得尽可能少。

　　密歇根大学的Jeffrey F. Bonadio、 Selective Genetics、Steven A. Goldstein 及其合作者，已经率先开始研究一种非常有意义的、更为新颖的药物发送方式。该方式把基因治疗和组织工程结合起来。研究人员不是直接控制生长因子，而是守人为生长因子编码的基因，间接控制生长因子。这些基因是一些环形的DNA质粒。细胞在接纳这些DNA质粒之后，就变成了小型工厂，大量制造由质粒编码的生长因子。由于这些DNA质粒是自由漂浮的，没有和受体细胞原有的DNA结为一体，所以它们最终可以降解。此时，生长因子的合成过程也将随之结束。DNA质粒插入法已经成功地用于促进动物骨组织的生长，不过它们的持续有效时间仍有待继续观测研究。

一些细胞

　　与移植人体原生组织器官相比，细胞移植方法借助生化分子促进新的组织器官在患者体内生长发育,这显然已经较前者大有进步，但这仍与组织工程师制造完整的新生器官这一终极目标相距遥远。通过直接把细胞移植进入体内发育成特定的身体“元件”，“人体备件”有望逐渐化科幻为现实。不过，组织器官能否按最佳方式生长，仍然有赖于人体自身的生物化学“智慧”。

　　细胞移植方法通常要求预先在培养皿中繁殖一些孤立的细胞。而后，这些细胞被用来促进形成细胞间质支架(可由合成聚合物或胶质组成。胶质是一种蛋白质，是许多原生组织器官的自然支架)。细胞间质支架不仅具有发送细胞的作用，而且还为需要形成的组织器官创造和保留了必要的空间，并将引导组织器官的结构发育。一旦人们充分了解了某一特定组织器官的发育规律，那么在理论上，就可以从一个小小的细胞集合体出发，培育出完整的组织和器官。而且,对组织和器官发育过程充分了解之后，最终应该能令这种过程从人体内部转移到外部实验室进行，届时,“现货供应”的组织器官就将不再只是梦想。这样，在急救情形下，外科医生就能及时实施器官移植手术，而用不着等待几个星期或几个月，盼望所需的组织器官在实验室培育完成，或期待生长因子诱使组织器官在病人体内最终形成。考虑到人体内一个失效的器官往往会迅速导致死亡，组织器官的“现货移植'设想确实相当诱人。

　　现在，皮肤移植一马当先。美国食品与药物管理局(FDA) 已经批准一种活性皮肤产品投产，而且多种其他活性皮肤产品在限定条件下也可以生产。美国对皮肤产品的需求量很大。每年美国有60万患有难以愈合的糖尿病溃疡病人，60 万需要实施皮肤移植手术的皮癌患者，以及1~ 1.5万需要移植皮肤的严重烧伤病人。

　　除了皮肤之外，在矫形手术、头面部手术和泌尿手术中，对软骨组织的需求量也很大。目前，美国每年有50万个关节修复手术和2.8万个头面部外科整容手术，软骨组织可谓供不应求。由于软骨对养分需求不多，不要求培育新的配套血管，所以软骨培育工程的前景十分明朗和乐观。

　　在马萨诸塞州的坎布里奇，基因酶组织修复技术已经获得FDA的批准。该技术从膝盖软骨有严重创伤的病人体内采集一些细胞，然后在实验室对这些细胞加以培育繁殖，制造出软骨组织，最后将该软骨组织移植到患处。根据每个病人及其创伤程度的不同，软骨再生过程可长达12- 18个月。在动物试验中已经培育了形如耳朵、鼻子等的软骨组织。

　　鉴于软骨培育的简便性，哈佛医学院附属儿童医院的Anthony J. A tala 发展出了一种治疗泌尿系统疾病(如小便失禁)的新方法。马萨诸塞剑桥的再生试验人员正在研究“从病人体内采集软骨细胞一一在实验室培育软骨组织——移植到尿道或输尿管——缓解由于肌肉缺乏弹性引发的成人小便失禁和儿童膀胱尿液回流症状”全过程的可行性，这将支持Anthony J. A tala的研究工作。就当前而言，治疗此类泌尿疾病的方法多种多样，包括复杂折的外科手术方法。成人有时会接受胶质移植(胶质类似软骨,但胶质最终会降解消失)。与这些方法相比，Anthony J. A tala 的新方法最大程度地减少了对外科手术(外科手术或多或少对人体有所不利)的需求。

　　在位于北卡罗来纳州Charlotte的Carolina医学中心，Walter D. Holder 和Craig R. Deerstalker，以及本文作者之一穆尼，已经开始尝试运用组织工程方法治疗一种妇女疾病。试验如下:利用从妇女腿部或臀部采集到的组织，培育出新的乳房组织，而后移植给那些接受了乳房切除手术的妇女。建议的具体实施细节是:对病人的组织进行活体检查，分离出一些细胞,并在病人体外繁殖;而后将这些细胞和一个生物可降解的细胞支架一起，植入病人体内。细胞在病人体内继续生长发育，支架则逐渐消耗分解，最终会生成全新的、自然的人体组织。不过目前能生成的只是一种软组织，而不是由多种细胞构成的复杂的、真正的乳房。但是，这毕竟为当前乳房修复和移植手术提供了一种替代手段。

　　目前，对感染了人类疾病的动物的成功试验，使得人们对培育由一种或多种细胞构成的新生器官这一前景颇为乐观。迈科斯最近证实:在生物可降解的聚合物上繁殖那些从骨髓采集到的细胞，可以培育出新的骨组织。不过，将细胞移植到骨骼患处，使生长因子能够就地产生，仍然是一种有待探索的发送生长促进药物新方式。

未来的处方药

　　在任何系统中，规模一旦增大往往会产生新的需求。如前所述，物理尺寸较大的组织和器官就需要相应的血液配套供给系统。为此，组织工程师有必要将类型恰当的细胞连同刺激血管生长的药物一起进行移植，促进血管生长的分子可以包含在用作支架的聚合物之中。不过我们和另外一些研究人员提出了一种替代方案，即在实行移植手术之前，就在支架中导人将要变为血管的细胞，进而在新生器官内部制造出一个血管网络。新生器官移植之后，其内部的血管只要与周围的外部血管联结起来，就可以满足新生器官对血液供给的需要。

　　就相关的材料科学研究前沿而言，制造新生器官通常使用胶质等生物材料。这些材料或者能从自然界直接获取，或者可以从其他生物医学用途材料改造而来。目前，我们和其他一些研究人员正在开发新的、专用的、生物可降解的聚合物材料。这种新材料将能够准确地控制新生器官的大小和形状，精确地调节那些与材料接触的细胞的功能。而且,这种新材料将以促进新生器官形成为目标，按最佳速度降解自己。

　　考虑到皮肤、骨骼和软骨等结构性组织培育的相对简单性，它们很有可能继续主宰第一波组织工程成功浪潮。当然，组织工程的“圣杯”只能是内脏器官，例如肝脏。肝脏内部发生着对生命至关重要的许多生物化学反应，且每年有3万多人死于肝脏衰竭。从古希腊关于普罗米修斯的传说中，已经可以认识到肝脏具有在局部受损后再生的独特潜力，而今天的组织工程师们正试图发掘和利用肝脏细胞的这种特性。

　　包括Joseph P. Vacanti 和旧金山Cedars - Sinai医学中心的Achills A. Demetriou 在内的许多研究人员，已经证实:把肝脏细胞移植到动物体内之后，新的类肝组织将能在动物体内生成。我们已经开发出了用于培育类似肝脏的组织的新型生物材料，并且证实了若在移植肝脏细胞时能配合药物供给，将能够促进肝脏细胞生长。但迄今所有这些研究工作只证明了:动物体内的类肝新生组织只具备动物肝脏的某一个化学功能，目前还无法复制肝脏的全部功能。

　　密歇根州的H. David Humes和Atala,正在利用肾脏细胞制造拥有肾脏的过滤功能的新生器官。此外，Joseph P. Vacanti的研究小组最近进行的动物试验已经证实:在腹腔内培育好肠子之后，可以将其与原生的肠组织联结起来。如果人的新生肠子成为现实，那将是肠道过短患者(由出生时的先天缺陷或后天的疾病引起)的福音。肠道过短会带来消化问题，导致营养摄入不足，从而影响全身发育。迄今为止，唯一可行的治疗方法是(原生)肠移植，但是由于捐赠器官严重不足，只有少数病人能真正接受肠移植手术。最近，Atala还证实:可以采用这种方法，在动物体内培育形成完整的膀胱，用来替代原生的膀胱。