身板儿不好使？换个零件吧――看看人造器官构建技术走到了哪一步

　　 导读

　　 亲爱的读者，我们在上周为您较系统地介绍了人类创造自身的炼金术――组织工程。相信你也注意到，当今组织工程产品主要集中在皮肤、角膜和骨骼等结构、功能相对简单的组织类型，而人体其他更加复杂器官的构建是组织工程研究领域科学家的最大梦想和终极目标，也是他们所面对的最大难点和挑战。然而，科学家还是在这个挑战重重的领域取得了令人兴奋的进展。今天，就让我们一起来分享一下科学家所发明的那些令人脑洞大开的人体器官构建技术吧。

　　 撰文 杜亚楠 （ 清华大学医学院生物医学工程系研究员 ）

　　 编辑 木�

　　 我们知道，组织工程在平面和管状器官构建方面虽然已经取得了较大的成功，但由于空腔和实质性器官（比如人体的膀胱和肝脏）的功能和结构极为复杂，其构建是组织工程领域最大的挑战和梦想。以人体最大的脏器肝脏为例，成人肝脏重达1-1.5千克，由大约50万-100万个六边形结构的肝小叶所组成，包含七种总共10 12 （一万亿）细胞和致密交错的血管和胆管网络，行使包括代谢、合成和解毒等500多种重要功能。要想人工建造如此复杂的器官其难度和复杂程度可想而知。组织工程学研究日新月异的发展给构建复杂器官带来了新的希望。这里我们主要介绍三种有前景的器官再造技术。

　　 器官脱细胞化技术

　　 首先介绍组织脱细胞化技术。第一个人工角膜替代品艾欣瞳，就是利用动物角膜组织经过脱细胞化而得到。组织脱细胞化技术是指经化学和物理方法去除异体或异种组织或器官中的细胞，形成无免疫原性或低免疫原性的生物材料支架的方法。脱细胞化支架会很好的保留原有组织细胞外基质的有效成分（也就是组织中的天然生物材料如胶原蛋白等）和其他精细结构，比如血管网。通常 器官脱细胞化技术 后续需要重新种植自体细胞来构建仿生的组织和器官。

　　 目前，多种人类或动物（通常为猪或牛）组织脱细胞化基质材料已经产品化，并正在进行临床试验，包括皮肤、肠道、骨、角膜、气管、心瓣/心阀、血管等，在骨科、牙科、整形、美容以及心血管等领域都取得了较好的再生修复效果。例如德国 Auto Tissue 公司开发的猪异种脱细胞化心脏瓣膜，就是目前唯一一款得到欧盟认证的无细胞心脏瓣膜，用来治疗小儿先天性心脏病，以实现右心室流出道重建，目前已经在93例儿童患者中取得了良好的临床效果。

　　

　　 (A-C) 肝脏组织脱细胞化过程：正常肝脏组织逐渐褪色，显示出丰富的血管结构； (D) 被绿色染料呈现出的脱细胞化肝脏保留的精细血管结构；(E) 脱细胞化肝脏组织可以再次被种植肝脏细胞（导致组织逐渐变黄），以重构新的肝脏；(F) 荧光显微镜图像显示重建肝脏组织保留着肝脏典型的六边形肝小叶结构。（图片来源：参考资料[1]）

　　 脱细胞化技术最大的优势在于对复杂器官的重建。在动物模型中，科学家已经实现了 包括心脏、肝脏、胰脏、肺、脑等复杂器官的脱细胞化和细胞重新种植 ，为最终实现器官重建带来了曙光。美国明尼苏达大学的研究者将大鼠的心脏通过冠状动脉灌流进行脱细胞化，完好的保留了心脏的细胞外基质成分，以及心阀和腔体结构。该脱细胞化的结构在移植到大鼠体内后，可重新与循环系统连接并恢复血供，而且通过后续生物反应器中心肌细胞和血管内皮细胞的重新种植，经过28天的体外培养，形成可规律性搏动的心脏，并能部分重塑成体心脏的功能。如前所述，肝脏由于具有复杂的结构、脉管系统和功能，非常难于重建。美国麻省总医院的医生们将大鼠的肝脏进行脱细胞化，保持了肝脏特异性肝小叶单元的结构和复杂的血供系统。随后在脱细胞化基质上重新种植肝脏细胞，并移植入另一只肝切除的大鼠中，在血供形成后，可以看到移植后的人造肝脏和天然肝脏在外形上非常接近。这些在动物身上实现的器官再造，正在进一步扩大化和规模化，但最终实现人类器官的重建的确还需要很长的一段路要走。

器官3D打印

　　

　　 (A) 3D打印带有电子装置的人造耳；(B) 该人造耳有软骨细胞作为生物部分，硅胶作为结构部分，银纳米颗粒作为电子元件部分，通过3D打印机构建（图片根据参考资料[3]修改）

　　 如果说脱细胞化还需借用天然组织和器官当作模板，那么生物3D打印技术则充分发挥了组织工程技术的威力，从零开始，“按照患者需求”，构建个性化的人造组织。其实基于纯材料的3D打印和快速成型技术可以追溯到上个世纪，可根据设计构建各类由高分子聚合物、金属等单纯材料构成的三维结构。近年来，以打印具有生物活性组织和器官为目标的生物打印是组织工程的新兴领域，有望定制化的构建各类组织和器官。组织工程师们已经在体外成功打印了具有不同复杂程度的组织结构， 包括含有皮肤和软骨细胞的片层组织；中空的类血管、心阀和气管等组织结构；以及包括肾在内的实体组织结构。

　　 3D 打印首先需要对所构建的定制化组织和结构进行成像（如X光-CT和核磁等），以获取组织结构特征，并选择合适的生物材料和细胞。随后就要选用合适的打印方法（如喷墨法、挤出法和激光辅助法）进行打印成型。最后通过体外培养促进打印组织的成熟，进行下游的多方面应用。作为生物打印领域的领头羊，要数位于美国圣地亚哥的 Organovo 公司。该公司以含有几百个细胞的微组织作为生物墨水，通过特殊的 3D 打印机完成了 血管、片层肝脏 等特殊组织结构的构建，在体外培养过程中通过微组织之间的融合作用形成致密的组织。目前3D器官打印仅初步重建了相应器官的宏观结构、细胞分布和基本功能，离完整重现其生理结构和功能还有很远的距离。

　　 3D 生物打印的最新趋势是将生物和电子设备集成打印，形成半生物半机械的“杂合体”，如同电影中的钢铁侠一般重现人类组织器官功能。其中一个有趣的例子，就是普林斯顿大学的生物医学工程师们打印出的 载有电子装置的人造耳 。和传统组织工程方法不同，此人造耳由生物、结构和电子三部分成分同时打印而成。其中生物部分由软骨细胞构成，结构部分由硅胶构成，而电子器件部分由银纳米颗粒打印而成，最终经过多组分打印形成多功能的“半机械”人造耳。随后，通过体外10周的培养使软骨组织成熟，并通过其中的电子装置来实现声波的感知。我们可以大胆的预测，未来这种半机械组织或者器官，有望实现对人体各类天然组织的辅助支持、替代甚至是超越――钢铁侠的“特异功能”要变为现实也不是没有可能。

让猪儿们为人类捐助器官

　　

　　 通过基因编辑等前沿技术构建人源化动物，让动物为人类捐助器官（图片来源：参考文献[5]）

　　 器官脱细胞化技术的一大优势，是可以去掉潜在引起免疫排斥的异体/异种细胞，只保留天然器官骨架。但是，在重新种植自体细胞时过程中，要还原器官中真实的多种细胞类型的组成和排布还是有相当的难度。那么，人类有没有可能实现异种器官移植――直接使用动物的器官作为人类器官的替代呢？

　　 其实，早在1984年，人类就曾经大胆的尝试过给一个人类婴儿移植狒狒的心脏，然而由于免疫排斥，在移植后20天之内婴儿就死亡了。

　　 由于和人在基因序列、器官的大小等生物学特点方面的相似性，猪是异种器官移植的最佳选择对象。从上世纪90年代开始，人们就开始尝试利用转基因猪作为人类的器官工厂，但让猪儿们为人类捐助器官还是面临着种属差异造成的免疫排斥和猪体内病毒的感染问题。为解决病毒感染的问题，2015年哈佛大学的 George Church 团队利用最先进的 CRISPR/Cas9 基因编辑技术，将猪胚胎细胞中的62个病毒基因失活，减少猪内源逆转录病毒，从而大大降低了感染人类的可能性。他们尝试同时敲除猪体内产生免疫排斥的20多个相关基因，同时编辑如此大量的基因还真是一项史无前例的创举。

　　 此外，比转基因动物更大胆和有争议的想法，是让人的器官直接长在猪儿们的身上， 这种人源化的“嵌合体动物”已经开始从神话中逐步走进了现实，听起来有点“半人半猪”的味道吧？ 美国加州大学戴维斯分校的 Pablo Ross 教授，正在尝试让猪身上长出来源自特定患者的胰脏。研究者首先对猪胚胎通过基因编辑敲除胰脏等器官发育所需的基因，造成胰脏发育缺陷。随后将特定患者皮肤细胞来源的诱导多能干细胞（iPSCs）注入上述经过基因编辑的猪胚胎，形成带有患者来源干细胞的嵌合胚胎，并将这些嵌合胚胎植入母猪子宫中发育成小猪。由于 iPSCs 可以发育成几乎所有人类器官，研究者希望这样的胚胎可以最终发育为带有特定病人胰脏的猪。当然，要想把如此大胆的想法变为现实，还面临很多技术、伦理和监管上的问题和争议。而且，人类的干细胞也没那么容易就乖乖地在猪身上只分化和发育为人类想要的胰腺细胞，万一哪天猪儿们真的变成科幻片《猩球崛起》中会说人话、如人类般聪明的猩猩一样，很难想象这个世界将会变成怎样一番光景？到时候你的脑洞可还承受得了吗？无论如何，上述基因编辑和干细胞等研究领域里技术上的突破，为人类带来了新的挑战和机遇――扩展和融合不同生物间的边界，或许未来动物才是我们人类的救星。

　　 以上我们向读者简略介绍了组织工程这一新兴学科在复杂器官构建方面的一些代表性成果和技术应用。人造组织除了可移植到体内辅助再生，还能在体外病理研究和药物筛选等领域大显身手。作为人类创造自身的炼金术，组织再生的“信念愈来愈逼真”，“被礼赞为造化的神秘品，我们敢于凭智慧加以陶甄”。虽然在创建人类自身的道路上，我们人类还面临着无数的挑战和难题，但是我们有理由相信，组织工程和再生医学领域的发展，会极大促进人类对自身健康或病变组织和器官的认知、调控与重建，我们生命的奥秘也终将在此过程中得以呈现，人类的许多顽疾也终将被我们人类所克服！

　　 参考资料

　　 [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

　　 杜亚楠，博士，清华大学医学院生物医学工程系研究员、长聘副教授、博士生导师。本科毕业于清华大学化学工程系。博士毕业于新加坡国立大学生物工程系。在美国麻省理工学院和哈佛医学院进行博士后研究。2010年起受聘于清华大学医学院生物医学工程系。从事组织工程、生物材料和再生医学等领域的科研和教学工作。

　　

　　 延伸阅读

　　 ① 人类创造和修复自身的炼金术

　　② “用生命创造生命”的一小步：一个名叫辛西娅的人造细胞

　　 ③ 肝脏移植保存：温度和时间的极限挑战

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　　 赛先生 由百人传媒投资和创办， 文小刚、刘克峰、颜宁 三位国际著名科学家担任主编，告诉你正在发生的科学。 上帝忘了给我们翅膀，于是，科学家带领我们飞翔。

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