多路徑探索再生器官

為了解決人體器官不能再生的問(wèn)題，科學(xué)家探索了多條路徑，希望能最終一步步實(shí)現(xiàn)人體器官再生的目的。
所有的努力可以歸于兩大途徑：內(nèi)源性器官再生和外源性器官再生。

內(nèi)源性器官再生

關(guān)于“內(nèi)源性器官再生”，目前主要有三種的促進(jìn)組織再生的方法：

1.向組織中補(bǔ)充成體干細(xì)胞或前體細(xì)胞;2.利用化學(xué)小分子刺激干細(xì)胞的原位增殖、分化和在體轉(zhuǎn)分化;3.通過(guò)生物因子促進(jìn)內(nèi)源性干細(xì)胞的年輕化。
在組織再生的過(guò)程中，干細(xì)胞發(fā)揮著不可替代的作用。
根據(jù)其分化能力的不同，干細(xì)胞又被分為兩類：第一類是多能干細(xì)胞（pluripotent stem cells，包括胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞），第二類是專能干細(xì)胞（multipotent stem cells）和單能干細(xì)胞（unipotent stem cells，也稱成體干細(xì)胞）。顧名思義，第二類干細(xì)胞的分化能力有限，但它們卻在組織再生中扮演了關(guān)鍵角色——組織內(nèi)的內(nèi)源干細(xì)胞，幾乎都是成體干細(xì)胞。它們?cè)诮M織輕微受損后，可協(xié)助修復(fù)過(guò)程，幫助組織恢復(fù)正常功能。

在人體內(nèi)，間充質(zhì)干細(xì)胞是研究和應(yīng)用最多的干細(xì)胞，這類干細(xì)胞有分化成多類細(xì)胞的潛力，這包括了骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、以及脂肪細(xì)胞，間充質(zhì)干細(xì)胞回輸證明可以緩解多種衰老相關(guān)疾病，包括神經(jīng)退行性疾病、血管變性、心肌梗塞和骨關(guān)節(jié)炎等。另外技術(shù)的發(fā)展為修復(fù)退行性器官提供更加行之有效的方法，例如通過(guò)遺傳編輯長(zhǎng)壽基因或抑癌基因，可以產(chǎn)生遺傳增強(qiáng)型干細(xì)胞和血管細(xì)胞，在移植治療中獲得更好的療效和安全性。
但是內(nèi)源器官再生的問(wèn)題，甚至比了解癌癥發(fā)生和治療的問(wèn)題更加復(fù)雜，因?yàn)榘┌Y治療只是人類部分組織的異常再生。

外源性器官再生

在“外源性器官再生”這條路上，最直接最粗暴的方式，就是用人體的細(xì)胞再克隆一個(gè)同樣的人，然后獲取他們的器官。

當(dāng)然目前這個(gè)僅僅停留在電影故事中，譬如《逃出克隆島》、《別讓我走》，都是制造一批克隆人，他們生存的意義僅僅為了給本體提供新鮮健康的器官，雖然克隆人從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，這并不太困難，畢竟人類已經(jīng)完成了克隆羊和克隆猴等工作，但是要真正去做克隆人的話，從倫理角度就無(wú)法令世人接受，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)要犧牲一個(gè)人的生命來(lái)挽救另外一個(gè)生命，這無(wú)疑很荒誕。

于是人們考慮了用和人比較接近的哺乳大動(dòng)物來(lái)制造人體器官，譬如2022年1月在美國(guó)馬里蘭大學(xué)的轉(zhuǎn)基因豬心移植，術(shù)后大衛(wèi)·貝內(nèi)特（David Bennett）生存了兩個(gè)月，雖然可能的豬病毒原因?qū)е滤劳?，但畢竟象征著人類向著活體移植異種器官邁出了歷史性的第一步。2021年9月，在一名腦死亡5天的人身上，美國(guó)阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校（UAB）醫(yī)學(xué)院研究人員也嘗試植入了“基因改造豬”的腎臟，手術(shù)后24小時(shí)內(nèi)，右側(cè)腎臟排出了700cc尿液，與普通成年人一天尿液量相當(dāng)。

在這條路上，大家希望最終的路子是用自體的細(xì)胞制造出組織和器官，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)必將徹底改變現(xiàn)在的器官移植的困境，無(wú)論是器官來(lái)源問(wèn)題還是術(shù)后風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，都將不復(fù)存在！
自20世紀(jì)70年代后期以來(lái)，研究人員就一直試圖通過(guò)人體干細(xì)胞建立長(zhǎng)期體外培養(yǎng)物，以研究人體發(fā)育和形態(tài)發(fā)生，并期望在未來(lái)成功實(shí)現(xiàn)完美的“器官零件工廠”。
在這方面，特別是這十年來(lái)成績(jī)非凡。我們總結(jié)如下：
1.生物人工腎

在人造器官的最新進(jìn)展中，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越接近創(chuàng)造出新的生物人工腎臟。由烏得勒支大學(xué)Roos Masereeuw教授的研究小組已經(jīng)完成功能性生物人工腎的關(guān)鍵組成部分。他們制造了一種由帶有腎細(xì)胞層的人工膜并實(shí)現(xiàn)類腎臟功能。另外還有多個(gè)團(tuán)隊(duì)在做這方面工作，范德比爾特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心和加州大學(xué)舊金山分校獲得美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院給予的600萬(wàn)美元資助，讓他們專注于生產(chǎn)一個(gè)模擬人類腎臟功能的人工腎臟。

2.皮膚生物打印

皮膚是身體中最大的器官。當(dāng)人們?cè)馐軅?、?chuàng)傷或與皮膚相關(guān)的醫(yī)學(xué)問(wèn)題時(shí)，他們可能需要更換他們的皮膚。傳統(tǒng)上，這是通過(guò)皮膚移植來(lái)完成的，這涉及到從身體的一部分移除一塊健康的皮膚組織，并用它來(lái)修復(fù)不健康或受損的皮膚區(qū)域。

發(fā)表在《生物打印趨勢(shì)》上的一篇文章強(qiáng)調(diào)了最近的研究，這些研究通過(guò)結(jié)合生物材料和計(jì)算設(shè)計(jì)來(lái)生物打印全功能皮膚結(jié)構(gòu)，從而在創(chuàng)造人工皮膚方面取得了進(jìn)展。這意味著遭受嚴(yán)重?zé)齻蚱渌麌?yán)重皮膚創(chuàng)傷的人將保留自己的皮膚，并在未來(lái)使用人造皮膚。使用這種技術(shù)的三個(gè)潛在好處是減少患者的疼痛和痛苦，減少疤痕，因?yàn)椴恍枰つw移植，以及更快的恢復(fù)期。

3.生物工程肝臟

科學(xué)家已經(jīng)成功創(chuàng)造了生物工程肝臟。作為最大的器官之一，它也是科學(xué)家最難再造的器官之一。

2015年，Organovo公司使用3D打印機(jī)逐層打印了大約20層活細(xì)胞，制造出微型肝，雖然深度僅0.5毫米，寬度4毫米，但它卻具有真實(shí)肝臟器官的多項(xiàng)主要功能，包括產(chǎn)生運(yùn)輸激素的蛋白質(zhì)，將鹽和藥物送遞至全身。

4.人工肺

在2018年9月發(fā)表在科學(xué)子刊的文章中，德克薩斯大學(xué)加爾維斯頓國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任瓊·尼科爾斯(Joan Nichols)歷時(shí)15年創(chuàng)造了一個(gè)人工肺的原型。尼科爾斯和她的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了生物工程肺，并將其移植到成年豬體內(nèi)。手術(shù)后，豬沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)人造器官的排斥，這是一項(xiàng)重大成就。

5.人造腸

第一個(gè)人造腸的誕生是一位醫(yī)生受到一名早產(chǎn)兒的刺激。約翰·霍普金斯兒童中心的兒科主任醫(yī)師大衛(wèi)·哈坎在匹茲堡兒童醫(yī)院工作的時(shí)候。他照顧的一名嬰兒患了壞死性小腸結(jié)腸炎，導(dǎo)致腸組織死亡。唯一的選擇是手術(shù)切除即將死亡的部分腸道。嬰兒去世后，Hackam決定專注于尋找一種創(chuàng)造人工腸道的方法，以拯救遭受這種可怕情況的嬰兒。他與生物醫(yī)學(xué)工程師John March合作，通過(guò)在由可生物降解的合成材料制成的三維支架上培養(yǎng)腸道干細(xì)胞，創(chuàng)造了一種人工腸道，結(jié)果非常像天然的腸道。人造腸已經(jīng)成功移植到狗和老鼠身上，這使得研究人員能夠更多地了解人造腸吸收營(yíng)養(yǎng)的情況。

6.人造血管

2016年，華西醫(yī)院將間充質(zhì)干細(xì)胞構(gòu)建成具有生物活性的人工血管，并置換了恒河猴體內(nèi)的一段腹部主動(dòng)脈，2022年該技術(shù)將開(kāi)展臨床試驗(yàn)。

7.人工角膜

2018年，英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)研究人員用膠原蛋白和海藻酸制造出一種強(qiáng)力凝膠，作為打印所用的“生物墨水”。這種材料既結(jié)實(shí)、足以保持形狀，又足夠柔韌耐得住3D打印機(jī)噴嘴積壓，而且人體干細(xì)胞還能存活其中。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的研究人員將這種生物墨水注入一臺(tái)便宜的3D生物打印機(jī)，只用10分鐘就打印出一份角膜，和人眼角膜形狀大小相當(dāng)。用于打印的干細(xì)胞不僅存活其中，還在打印結(jié)束后繼續(xù)生長(zhǎng)。

8.干細(xì)胞制造心肌細(xì)胞并搏動(dòng)108天
為了模擬人類心臟的跳動(dòng)，哈佛大學(xué)生物工程和應(yīng)用物理學(xué)教授Kit Parker領(lǐng)導(dǎo)的研究小組決定設(shè)計(jì)一款“人造魚”，來(lái)模擬心臟泵血的過(guò)程。研究人員用人類干細(xì)胞培育出心肌細(xì)胞，然后在這種生物“雜交魚”的尾鰭兩側(cè)排列著干細(xì)胞。每當(dāng)肌肉組織收縮或拉伸時(shí)，它就會(huì)打開(kāi)離子通道，觸發(fā)相反的運(yùn)動(dòng)。

小結(jié)

從人類孜孜不倦追求器官再生的努力來(lái)看，人們最希望的就是某些損傷通過(guò)干細(xì)胞或者化學(xué)小分子以及其他刺激信號(hào)，能夠?qū)崿F(xiàn)原位再生，就如同皮膚受損一樣，可以自己能長(zhǎng)好，這是最好的。其次如果原位再生不行，那么可以對(duì)某些器官進(jìn)行體外克隆，制造出一個(gè)和本體一樣的但是更年輕健康的器官，通過(guò)移植進(jìn)行替換。

這也許就是人類在再生醫(yī)學(xué)上需要征服的星辰大海。

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