身板兒不好使？換個零件吧——看看人造器官構建技術走到了哪一步

導讀

親愛的讀者，我們在上周為您較系統地介紹了人類創造自身的鍊金術——組織工程。相信你也注意到，當今組織工程產品主要集中在皮膚、角膜和骨骼等結構、功能相對簡單的組織類型，而人體其他更加複雜器官的構建是組織工程研究領域科學家的最大夢想和終極目標，也是他們所面對的最大難點和挑戰。然而，科學家還是在這個挑戰重重的領域取得了令人興奮的進展。今天，就讓我們一起來分享一下科學家所發明的那些令人腦洞大開的人體器官構建技術吧。

撰文杜亞楠（清華大學醫學院生物醫學工程系研究員）

編輯木東

我們知道，組織工程在平面和管狀器官構建方面雖然已經取得了較大的成功，但由於空腔和實質性器官（比如人體的膀胱和肝臟）的功能和結構極為複雜，其構建是組織工程領域最大的挑戰和夢想。以人體最大的臟器肝臟為例，成人肝臟重達1-1.5千克，由大約50萬-100萬個六邊形結構的肝小葉所組成，包含七種總共1012（一萬億）細胞和緻密交錯的血管和膽管網路，行使包括代謝、合成和解毒等500多種重要功能。要想人工建造如此複雜的器官其難度和複雜程度可想而知。組織工程學研究日新月異的發展給構建複雜器官帶來了新的希望。這裡我們主要介紹三種有前景的器官再造技術。

器官脫細胞化技術

首先介紹組織脫細胞化技術。第一個人工角膜替代品艾欣瞳，就是利用動物角膜組織經過脫細胞化而得到。組織脫細胞化技術是指經化學和物理方法去除異體或異種組織或器官中的細胞，形成無免疫原性或低免疫原性的生物材料支架的方法。脫細胞化支架會很好的保留原有組織細胞外基質的有效成分（也就是組織中的天然生物材料如膠原蛋白等）和其他精細結構，比如血管網。通常器官脫細胞化技術後續需要重新種植自體細胞來構建仿生的組織和器官。

目前，多種人類或動物（通常為豬或牛）組織脫細胞化基質材料已經產品化，並正在進行臨床試驗，包括皮膚、腸道、骨、角膜、氣管、心瓣/心閥、血管等，在骨科、牙科、整形、美容以及心血管等領域都取得了較好的再生修復效果。例如德國 Auto Tissue 公司開發的豬異種脫細胞化心臟瓣膜，就是目前唯一一款得到歐盟認證的無細胞心臟瓣膜，用來治療小兒先天性心臟病，以實現右心室流出道重建，目前已經在93例兒童患者中取得了良好的臨床效果。

(A-C) 肝臟組織脫細胞化過程：正常肝臟組織逐漸褪色，顯示出豐富的血管結構；(D) 被綠色染料呈現出的脫細胞化肝臟保留的精細血管結構；(E) 脫細胞化肝臟組織可以再次被種植肝臟細胞（導致組織逐漸變黃），以重構新的肝臟；(F) 熒光顯微鏡圖像顯示重建肝臟組織保留著肝臟典型的六邊形肝小葉結構。（圖片來源：參考資料[1]）

脫細胞化技術最大的優勢在於對複雜器官的重建。在動物模型中，科學家已經實現了包括心臟、肝臟、胰臟、肺、腦等複雜器官的脫細胞化和細胞重新種植，為最終實現器官重建帶來了曙光。美國明尼蘇達大學的研究者將大鼠的心臟通過冠狀動脈灌流進行脫細胞化，完好的保留了心臟的細胞外基質成分，以及心閥和腔體結構。該脫細胞化的結構在移植到大鼠體內後，可重新與循環系統連接並恢復血供，而且通過後續生物反應器中心肌細胞和血管內皮細胞的重新種植，經過28天的體外培養，形成可規律性搏動的心臟，並能部分重塑成體心臟的功能。如前所述，肝臟由於具有複雜的結構、脈管系統和功能，非常難於重建。美國麻省總醫院的醫生們將大鼠的肝臟進行脫細胞化，保持了肝臟特異性肝小葉單元的結構和複雜的血供系統。隨後在脫細胞化基質上重新種植肝臟細胞，並移植入另一隻肝切除的大鼠中，在血供形成後，可以看到移植後的人造肝臟和天然肝臟在外形上非常接近。這些在動物身上實現的器官再造，正在進一步擴大化和規模化，但最終實現人類器官的重建的確還需要很長的一段路要走。

器官3D列印

(A) 3D列印帶有電子裝置的人造耳；(B) 該人造耳有軟骨細胞作為生物部分，硅膠作為結構部分，銀納米顆粒作為電子元件部分，通過3D印表機構建（圖片根據參考資料[3]修改）

如果說脫細胞化還需借用天然組織和器官當作模板，那麼生物3D列印技術則充分發揮了組織工程技術的威力，從零開始，「按照患者需求」，構建個性化的人造組織。其實基於純材料的3D列印和快速成型技術可以追溯到上個世紀，可根據設計構建各類由高分子聚合物、金屬等單純材料構成的三維結構。近年來，以列印具有生物活性組織和器官為目標的生物列印是組織工程的新興領域，有望定製化的構建各類組織和器官。組織工程師們已經在體外成功列印了具有不同複雜程度的組織結構，包括含有皮膚和軟骨細胞的片層組織；中空的類血管、心閥和氣管等組織結構；以及包括腎在內的實體組織結構。

3D 列印首先需要對所構建的定製化組織和結構進行成像（如X光-CT和核磁等），以獲取組織結構特徵，並選擇合適的生物材料和細胞。隨後就要選用合適的列印方法（如噴墨法、擠出法和激光輔助法）進行列印成型。最後通過體外培養促進列印組織的成熟，進行下游的多方面應用。作為生物列印領域的領頭羊，要數位於美國聖地亞哥的 Organovo 公司。該公司以含有幾百個細胞的微組織作為生物墨水，通過特殊的 3D 印表機完成了血管、片層肝臟等特殊組織結構的構建，在體外培養過程中通過微組織之間的融合作用形成緻密的組織。目前3D器官列印僅初步重建了相應器官的宏觀結構、細胞分布和基本功能，離完整重現其生理結構和功能還有很遠的距離。

3D 生物列印的最新趨勢是將生物和電子設備集成列印，形成半生物半機械的「雜合體」，如同電影中的鋼鐵俠一般重現人類組織器官功能。其中一個有趣的例子，就是普林斯頓大學的生物醫學工程師們列印出的載有電子裝置的人造耳。和傳統組織工程方法不同，此人造耳由生物、結構和電子三部分成分同時列印而成。其中生物部分由軟骨細胞構成，結構部分由硅膠構成，而電子器件部分由銀納米顆粒列印而成，最終經過多組分列印形成多功能的「半機械」人造耳。隨後，通過體外10周的培養使軟骨組織成熟，並通過其中的電子裝置來實現聲波的感知。我們可以大膽的預測，未來這種半機械組織或者器官，有望實現對人體各類天然組織的輔助支持、替代甚至是超越——鋼鐵俠的「特異功能」要變為現實也不是沒有可能。

讓豬兒們為人類捐助器官

通過基因編輯等前沿技術構建人源化動物，讓動物為人類捐助器官（圖片來源：參考文獻[5]）

器官脫細胞化技術的一大優勢，是可以去掉潛在引起免疫排斥的異體/異種細胞，只保留天然器官骨架。但是，在重新種植自體細胞時過程中，要還原器官中真實的多種細胞類型的組成和排布還是有相當的難度。那麼，人類有沒有可能實現異種器官移植——直接使用動物的器官作為人類器官的替代呢？

其實，早在1984年，人類就曾經大膽的嘗試過給一個人類嬰兒移植狒狒的心臟，然而由於免疫排斥，在移植後20天之內嬰兒就死亡了。

由於和人在基因序列、器官的大小等生物學特點方面的相似性，豬是異種器官移植的最佳選擇對象。從上世紀90年代開始，人們就開始嘗試利用轉基因豬作為人類的器官工廠，但讓豬兒們為人類捐助器官還是面臨著種屬差異造成的免疫排斥和豬體內病毒的感染問題。為解決病毒感染的問題，2015年哈佛大學的 George Church 團隊利用最先進的 CRISPR/Cas9 基因編輯技術，將豬胚胎細胞中的62個病毒基因失活，減少豬內源逆轉錄病毒，從而大大降低了感染人類的可能性。他們嘗試同時敲除豬體內產生免疫排斥的20多個相關基因，同時編輯如此大量的基因還真是一項史無前例的創舉。

此外，比轉基因動物更大膽和有爭議的想法，是讓人的器官直接長在豬兒們的身上， 這種人源化的「嵌合體動物」已經開始從神話中逐步走進了現實，聽起來有點「半人半豬」的味道吧？ 美國加州大學戴維斯分校的 Pablo Ross 教授，正在嘗試讓豬身上長出來源自特定患者的胰臟。研究者首先對豬胚胎通過基因編輯敲除胰臟等器官發育所需的基因，造成胰髒髮育缺陷。隨後將特定患者皮膚細胞來源的誘導多能幹細胞（iPSCs）注入上述經過基因編輯的豬胚胎，形成帶有患者來源幹細胞的嵌合胚胎，並將這些嵌合胚胎植入母豬子宮中發育成小豬。由於 iPSCs 可以發育成幾乎所有人類器官，研究者希望這樣的胚胎可以最終發育為帶有特定病人胰髒的豬。當然，要想把如此大膽的想法變為現實，還面臨很多技術、倫理和監管上的問題和爭議。而且，人類的幹細胞也沒那麼容易就乖乖地在豬身上只分化和發育為人類想要的胰腺細胞，萬一哪天豬兒們真的變成科幻片《猩球崛起》中會說人話、如人類般聰明的猩猩一樣，很難想像這個世界將會變成怎樣一番光景？到時候你的腦洞可還承受得了嗎？無論如何，上述基因編輯和幹細胞等研究領域裡技術上的突破，為人類帶來了新的挑戰和機遇——擴展和融合不同生物間的邊界，或許未來動物才是我們人類的救星。

以上我們向讀者簡略介紹了組織工程這一新興學科在複雜器官構建方面的一些代表性成果和技術應用。人造組織除了可移植到體內輔助再生，還能在體外病理研究和藥物篩選等領域大顯身手。作為人類創造自身的鍊金術，組織再生的「信念愈來愈逼真」，「被禮讚為造化的神秘品，我們敢於憑智慧加以陶甄」。雖然在創建人類自身的道路上，我們人類還面臨著無數的挑戰和難題，但是我們有理由相信，組織工程和再生醫學領域的發展，會極大促進人類對自身健康或病變組織和器官的認知、調控與重建，我們生命的奧秘也終將在此過程中得以呈現，人類的許多頑疾也終將被我們人類所克服！

參考資料

[1] The use of whole organ decellularization for the generation of a vascularized liver organoid,Hepatology. 53: 604–17 (2010)

[2] 3D bioprinting of tissues and organs,Nature Biotechnology. 32, 773–785 (2014)

[3] 3D Printed Bionic Ears,Nano Lett. 13(6): 2634–2639 (2013)

[4] Gene-editing record smashed in pigs,Nature. doi:10.1038/nature.2015.18525h, (2015)

[5] http://www.npr.org/sections/health-shots/2016/05/18/478212837/in-search-for-cures-scientists-create-embryos-that-are-both-animal-and-human

杜亞楠，博士，清華大學醫學院生物醫學工程系研究員、長聘副教授、博士生導師。本科畢業於清華大學化學工程系。博士畢業於新加坡國立大學生物工程系。在美國麻省理工學院和哈佛醫學院進行博士後研究。2010年起受聘於清華大學醫學院生物醫學工程系。從事組織工程、生物材料和再生醫學等領域的科研和教學工作。

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