安迪·科格倫

猜猜圖中的物體是什么？這看起來(lái)像是一截被砍斷的老鼠爪子，不過(guò)正確答案可能比你想象的更加振奮人心：這截大鼠前肢其實(shí)是科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中用活體細(xì)胞培育出來(lái)的人工產(chǎn)物。盡管尚不完美，但這一技術(shù)可能會(huì)在未來(lái)幫助人們研制出真正具有生物學(xué)功能的義肢。我們目前將研究的重點(diǎn)放在前臂與手掌上，用于模型系統(tǒng)的建立與基本原理的驗(yàn)證，同樣的技術(shù)還可應(yīng)用于腿和胳膊等其他四肢部位。

這是一項(xiàng)激動(dòng)人心的新技術(shù)，但如何制作一條功能齊備的肢體將是一大挑戰(zhàn)。許多接受了截肢手術(shù)的患者身上安裝的義肢在外觀上毫無(wú)問(wèn)題，但卻無(wú)法像真正的四肢那樣發(fā)揮功用?，F(xiàn)在，市面上又出現(xiàn)了一些利用仿生學(xué)的人工義肢，它們可以發(fā)揮功能，但不自然的外觀依舊是個(gè)硬傷。手部移植手術(shù)是另外一種解決方案，目前也有不少成功的案例，但為了防止身體出現(xiàn)排異反應(yīng)，接受移植的患者也需要終生服用免疫抑制藥物。而“生物肢體”一旦成功，以上諸多問(wèn)題都將迎刃而解。這種肢體由患者自身的細(xì)胞“培植”而成，因此不需要免疫抑制藥物的輔助，而且它在外觀和運(yùn)動(dòng)功能上都將與自然狀態(tài)的肢體十分接近。這是對(duì)生物肢體培育的初次嘗試，而且據(jù)我所知，目前尚無(wú)其他技術(shù)培養(yǎng)的復(fù)合組織能夠達(dá)到我們的復(fù)雜度。

如何培育生物肢體

制作這條大鼠前肢的技術(shù)叫做“decel/recel”（分別是decellularization和recellularization的縮寫(xiě)，意為“脫細(xì)胞化”與“再細(xì)胞化”），之前在實(shí)驗(yàn)室中，這種技術(shù)已經(jīng)被用于研制人造心臟、肺臟和腎臟。利用該技術(shù)制作的一些簡(jiǎn)單器官——例如氣管和聲帶——已經(jīng)被用于移植手術(shù)，并在不同程度上取得了成功。不過(guò)，它也遭到了一些非議。

人造器官的第一步是“脫細(xì)胞化”：供體的器官或肢體經(jīng)過(guò)去垢劑處理，剝離了全部的軟組織，僅留下由惰性的膠原蛋白構(gòu)成的器官“支架”，從而完好地保留它們?cè)械膹?fù)雜結(jié)構(gòu)。在此次培植大鼠前肢的實(shí)驗(yàn)里，血管、肌腱、肌肉和骨骼處的膠原蛋白結(jié)構(gòu)在此步操作之后被存留了下來(lái)。

第二步就是“再細(xì)胞化”，這時(shí)要將接受移植個(gè)體的細(xì)胞“種”在器官支架上，然后將它們放在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，讓新的組織細(xì)胞依附支架生長(zhǎng)起來(lái)，最終使器官重新恢復(fù)“有血有肉”的狀態(tài)。最終，新的器官上不會(huì)留下任何帶有供體細(xì)胞特征的軟組織，所以它也不會(huì)被受體的免疫組織識(shí)別為異己。這樣一來(lái)，排異反應(yīng)就可以避免了。

同樣是利用脫去細(xì)胞再培養(yǎng)的方法，造出一條前臂可比培養(yǎng)氣管難得多，因?yàn)榍罢咝枰嘤喾N類(lèi)的細(xì)胞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先將脫細(xì)胞后的大鼠前肢骨架置于生物反應(yīng)器當(dāng)中，并利用一套人工循環(huán)設(shè)備為其提供養(yǎng)分、氧氣以及電刺激。隨后，將人類(lèi)內(nèi)皮細(xì)胞注入血管的膠原支架，1個(gè)小時(shí)之后，內(nèi)皮細(xì)胞重新附著在血管表面。這一步非常關(guān)鍵，因?yàn)檫@樣能使新長(zhǎng)出來(lái)的血管更加結(jié)實(shí)，而不會(huì)在內(nèi)有液體循環(huán)的情況下出現(xiàn)破裂。

接下來(lái)，將小鼠成肌細(xì)胞、小鼠胚胎成纖維細(xì)胞以及人類(lèi)內(nèi)皮細(xì)胞混合在一起，注入前肢支架中原本被肌肉組織占領(lǐng)的空位。2-3周后，血管和肌肉的重建完成。最后，再給前肢實(shí)施皮膚移植手術(shù)，終于大功告成。

不過(guò)，這條前肢的肌肉能用嗎？為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)利用電脈沖刺激肌肉，發(fā)現(xiàn)大鼠爪子真的會(huì)做出抓握動(dòng)作，而且肌肉的強(qiáng)制性張力達(dá)到了新生大鼠肌肉的80%。這說(shuō)明

我們能夠?qū)崿F(xiàn)手掌的彎曲與伸展。我們還為若干只大鼠進(jìn)行移植手術(shù)，實(shí)際檢測(cè)了這種生物肢體的功效。血管連接完成后，受體大鼠的血液順利流入了人造前肢的血管，并且能記錄到血流的脈動(dòng)。不過(guò)，該技術(shù)并沒(méi)有在活體大鼠上測(cè)試肌肉運(yùn)動(dòng)功能或排異反應(yīng)。

面臨的難題

盡管在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了近百條大鼠前肢的脫細(xì)胞化，又給其中至少一半的支架“種”上了新的細(xì)胞，但目前需要做的工作還有很多。首先，需要在肢體里種上組成硬骨、軟骨等其他組織的細(xì)胞，觀察這些細(xì)胞能否再生。下一步，他們必須證明神經(jīng)系統(tǒng)也能完成重建。前人的手部移植手術(shù)結(jié)果表明，受體的神經(jīng)組織能夠延伸并穿入新接上的手掌，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)新器官的控制。而人工培植的生物肢體是否也能做到這一步，還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始在靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的“支架”上培育人類(lèi)血管細(xì)胞，這是通往人類(lèi)生物肢體技術(shù)的第一步。與此同時(shí)，也開(kāi)始在大鼠試驗(yàn)用人類(lèi)成肌細(xì)胞替代小鼠成肌細(xì)胞并觀察效果。不過(guò)，在滿足人體測(cè)試要求的生物肢體出現(xiàn)之前，這至少還需要等上10年。

“這是一次值得矚目的進(jìn)步，而且具備堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)，不過(guò)，還需要解決一些技術(shù)上的難題?！辟e夕法尼亞州匹茨堡大學(xué)的史蒂芬·巴蒂拉克評(píng)論說(shuō)，他曾經(jīng)在豬肌肉組織制成的支架上進(jìn)行移植體培育，并在13名病人當(dāng)中成功實(shí)現(xiàn)了腿部受損肌肉的再生。在所有這些問(wèn)題當(dāng)中，血液循環(huán)可能是最棘手的一個(gè)，而且必須確保內(nèi)皮細(xì)胞能覆蓋到最細(xì)小的毛細(xì)血管，這樣它們才不會(huì)塌陷并導(dǎo)致血栓。不過(guò)，將已知的生物學(xué)基本原理投入實(shí)際應(yīng)用其實(shí)是一個(gè)工程問(wèn)題，工程師們就是這么做的。

其他一些研究者提出了更多批評(píng)意見(jiàn)。“對(duì)于手這樣的復(fù)雜器官而言，其中的組織和結(jié)構(gòu)實(shí)在太多了，因此這種方法肯定是不現(xiàn)實(shí)的。”奧地利維也納大學(xué)的奧斯卡·埃茲曼說(shuō)，他曾經(jīng)發(fā)明了一種可以用“意念”控制的仿生手。他認(rèn)為，要想讓一只手實(shí)現(xiàn)有意義的功能，就必須讓它長(zhǎng)滿成千上萬(wàn)的神經(jīng)，這在目前依舊是一個(gè)無(wú)法逾越的難關(guān)。所以，盡管這是一項(xiàng)很有價(jià)值的工作，但它在當(dāng)前只能停留在基礎(chǔ)研究階段，而無(wú)法進(jìn)入臨床實(shí)踐。

設(shè)想，將來(lái)人類(lèi)的器官捐贈(zèng)計(jì)劃或許也將囊括四肢捐贈(zèng)。用于再生血管的細(xì)胞可以從受體的小血管中獲得，而肌肉細(xì)胞則可從大腿等部位的大型肌肉中取得。如果提取大約5克的肌肉組織，就能從中培養(yǎng)出人類(lèi)骨骼肌成肌細(xì)胞。

目前，如果你失去胳膊、腿，或是因?yàn)榘┌Y治療、燒傷等緣故損傷了部分軟組織，能供你選擇的治療方案是很有限的。而僅僅在美國(guó)就有150萬(wàn)的截肢者，因此此項(xiàng)肢體再生研究具有重要的意義。endprint