來自《自然》雜誌
當人們稱她為弗蘭肯斯坦博士時，多麗絲·泰勒並不認為這是一種侮辱。“這實際上是我得到的最大的讚美之一，”她說——肯定了她的研究正在突破可能的邊界。考慮到她在休斯頓德克薩斯心臟研究所擔任再生醫學研究主任的工作性質，泰勒不得不承認這種比較是恰當的。她定期從新近去世的人身上獲取心臟和肺等器官，從細胞開始對它們進行再造，並試圖讓它們復活，希望它們能在活體中再次跳動或呼吸。
泰勒是致力於工程化全新器官的研究人員的先鋒，旨在實現移植，而無需擔心接受者免疫系統的排斥。該策略原則上很簡單。首先，去除已死亡器官中的所有細胞——甚至不必是人類的器官——然後取出留下的蛋白質支架，並用與需要移植的患者在免疫學上匹配的幹細胞重新填充它。瞧！ 世界各地可移植器官的嚴重短缺問題就解決了。
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然而，在實踐中，該過程充滿了巨大的挑戰。研究人員在培養和移植空心、相對簡單的器官（如氣管和膀胱）方面取得了一些成功（參見go.nature.com/zvuxed）。但是，培養諸如腎臟或肺等實體器官意味著要將數十種細胞型別放入完全正確的位置，並同時培養完整的血管網路以使其存活。新器官必須是無菌的，如果患者年輕，則能夠生長，並且至少在名義上能夠自我修復。最重要的是，它們必須能工作——理想情況下，可以終身工作。心臟是繼腎臟和肝臟之後第三大最需要的器官，僅在美國就有約3500人的等待移植名單，但它在移植和生物工程方面提出了額外的挑戰。心臟必須不斷跳動，每天泵送約7000升血液，且沒有備用。它具有由幾種不同型別的稱為心肌細胞的特殊肌肉細胞構建的腔室和瓣膜。而且，供體心臟很少見，因為它們通常會因疾病或復甦努力而受損，因此，穩定的生物工程器官供應將受到歡迎。
泰勒領導了一些首次成功構建大鼠心臟的實驗，她對組織工程的這一最終挑戰持樂觀態度。“我認為這是完全可行的，”她說，並迅速補充說，“我不認為這很簡單。” 一些同事則不太樂觀。斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的胸外科醫生和科學家保羅·馬基亞里尼曾將生物工程氣管移植到幾名患者身上，他說，儘管組織工程可以成為替換諸如氣管、動脈和食道等管狀結構的常規方法，但他“不相信這種情況會發生在更復雜的器官上”。
然而，賓夕法尼亞州匹茲堡大學的研究員和外科醫生亞歷杭德羅·索托-古鐵雷斯說，即使失敗，這項努力也可能是有價值的。“除了製造用於移植的器官的夢想之外，我們可以從這些系統中學習很多東西，”他說——包括更好地基本瞭解心臟中的細胞組織以及有關如何修復心臟的新想法。
單擊此處檢視大圖。圖片來源：NIK SPENCER/《自然》
支架
十多年來，生物學家已經能夠在培養皿中將胚胎幹細胞轉化為跳動的心肌細胞。在外部的少量電起搏的作用下，這些工程化心臟細胞甚至會同步並保持數小時的同步跳動。
但是，要從培養皿中抽搐的斑點轉變為工作的心臟，就需要一個支架來在三個維度上組織細胞。研究人員最終可能能夠透過三維列印來建立此類結構——正如今年早些時候用人工氣管所證明的那樣（參見《自然》http://doi.org/m2q; 2013）。然而，在可預見的將來，即使是最複雜的機器也無法達到人類心臟的複雜結構。對於必須向心髒提供氧氣和營養物質並從其組織深處清除廢物的複雜毛細血管網路來說，尤其如此。“血管化是主要的挑戰，”北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆維克森林大學的泌尿科醫生安東尼·阿塔拉說，他已將生物工程膀胱植入患者體內，並且正在致力於構建腎臟（參見《自然》http://doi.org/dw856h; 2006）。
有抱負的心臟構建者的主要技術通常涉及重複利用生物學已經創造的東西。在波士頓的馬薩諸塞州總醫院，可以看到如何做到這一點的一個好地方，外科醫生和再生醫學研究員哈拉爾德·奧特演示了一種他在2000年代中期在泰勒手下接受培訓時開發的方法。
一個新鮮的人類心臟懸掛在由玻璃和塑膠製成的鼓形腔室中的塑膠管中。附近有一個泵，正在安靜地將洗滌劑推入通向心臟主動脈的管中。流量迫使主動脈瓣關閉，並將洗滌劑透過曾經為肌肉供血的血管網路，直到其所有者幾天前去世。奧特解釋說，在約一週的時間裡，這種洗滌劑的流動將從心臟中剝離脂質、DNA、可溶性蛋白質、糖和幾乎所有其他細胞物質，只留下蒼白的膠原蛋白、層粘連蛋白和其他結構蛋白網：曾經將器官結合在一起的“細胞外基質”。
支架心臟不必是人類的。豬很有希望：它們擁有細胞外基質的所有關鍵成分，但不太可能攜帶人類疾病。而且它們的心臟很少因疾病或復甦努力而衰弱。“豬組織比人類安全得多，而且供應無限，”匹茲堡大學的再生醫學研究員斯蒂芬·巴迪拉克說。
奧特說，棘手的部分是要確保洗滌劑僅溶解適量的物質。剝離得太少，基質可能會保留一些可能導致接受者免疫系統排斥的細胞表面分子。剝離得太多，它可能會丟失至關重要的蛋白質和生長因子，這些蛋白質和生長因子會告訴新引入的細胞在哪裡粘附以及如何表現。“如果你可以使用更溫和的試劑和更短的時間，你會得到更多的重塑反應，”在馬里蘭州哥倫比亞市的ACell公司研究脫細胞化的托馬斯·吉爾伯特說，該公司為再生醫學生產細胞外基質產品。
透過反覆試驗，增加洗滌劑的濃度、時間和壓力，研究人員已經改進了數百個心臟和其他器官的脫細胞化過程。這可能是器官生成企業中發展最好的階段，但這僅僅是第一步。接下來，需要用人類細胞重新填充支架。
細胞
伊利諾伊州芝加哥西北大學範伯格醫學院的外科醫生傑森·韋特海姆說，“再細胞化”帶來了另一系列的挑戰。“第一，我們使用什麼細胞？第二，我們使用多少細胞？第三，它們應該是成熟細胞、胚胎幹細胞還是iPS（誘導多能幹）細胞？最佳細胞來源是什麼？”
泰勒說，至少可以說，使用成熟細胞很棘手。“你不能讓成人的心肌細胞增殖，”她說。“如果可以的話，我們就不會進行這場談話了”——因為受損的心臟可以自我修復，並且不需要移植。
該領域的大多數研究人員都使用兩種或多種細胞型別的混合物，例如用於襯裡血管的內皮祖細胞和用於播種腔壁的肌肉祖細胞。奧特一直從iPS細胞中提取這些細胞——使用生長因子將成年細胞重新程式設計為類似胚胎幹細胞的狀態——因為這些細胞可以從有需要的患者身上提取，並用於製造免疫學匹配的組織。
原則上，iPS細胞方法可以為新心臟提供其全部細胞型別，包括血管細胞和幾種型別的心肌細胞。但在實踐中，它遇到了自身的問題。一個是人類心臟的巨大尺寸。奧特說，這些數字被嚴重低估了。“製造一百萬個細胞是一回事；製造1億或500億個細胞是另一回事。” 而且研究人員不知道當使用iPS細胞在成人心臟支架中再現胚胎髮育時，正確的細胞型別是否會生長。
當它們在支架上定植時，一些未成熟的細胞將紮根並開始生長。但是，要促使它們成為功能性、跳動的心肌細胞，需要的不僅僅是含氧培養基和生長因子。“細胞會感知它們的環境，”明尼蘇達州明尼阿波利斯大學一直在嘗試構建用於移植的肺的安吉拉·帕諾斯卡爾特西斯-莫塔裡說。“它們不僅感知這些因子。它們還感知剛度和機械應力，”這反過來會將細胞推向其適當的發育道路。
因此，研究人員必須將心臟放入模擬跳動感覺的生物反應器中。奧特的生物反應器使用電訊號——類似於起搏器——來幫助同步播種在支架上的跳動心肌細胞，並結合泵引起的物理跳動運動（參見'定製器官'）。但是，研究人員在試圖模仿人體記憶體在的條件（例如心率和血壓的變化或藥物的存在）時面臨著不斷的挑戰。“身體對事物做出反應並如此迅速地改變條件，以至於可能無法在生物反應器中模仿，”巴迪拉克說。
當泰勒和奧特最初開發用於去除細胞和重新填充大鼠心臟的生物反應器時，他們不得不邊做邊學。“實驗室裡有很多用膠帶粘起來的東西，”奧特說。但最終，心臟能夠在生物反應器中經過八到十天後自行跳動，產生大約相當於正常成年大鼠心臟2%的泵血能力。泰勒說，她後來已經讓來自大鼠和較大型哺乳動物的心臟泵出高達正常能力的25%，儘管她尚未發表相關資料。她和奧特相信他們走在正確的道路上。
跳動
最終的挑戰是最艱難的挑戰之一：將新培養的、工程化的心臟放入活體動物體內，並使其長期跳動。
血管系統的完整性是第一個障礙。任何裸露的基質都充當血栓滋生的溫床，這可能對器官或動物是致命的。“你需要一個相當完整的內皮細胞襯裡每一個血管，否則你會出現凝血或滲漏，”吉爾伯特說。
奧特已經證明，工程化的器官可以在一段時間記憶體活。他的小組將一個生物工程肺移植到大鼠體內，表明它可以支援動物進行氣體交換，但肺泡很快就充滿了液體。奧特小組今年早些時候報告的一項工程化大鼠腎臟移植手術在沒有凝血的情況下存活了下來，但僅有極小的過濾尿液能力，這可能是因為該過程沒有產生腎臟所需的足夠多的細胞型別（見《自然》http://doi.org/m2r; 2013）。奧特的團隊和其他人已經將重建的心臟植入大鼠體內，通常是在頸部、腹部或動物自身心臟旁邊。但是，儘管研究人員可以給器官供血並使其跳動一段時間，但沒有一顆心臟能夠支援泵血功能。研究人員需要證明心臟具有更高的功能能力，才能將其移植到比大鼠更大的動物體內。
巴迪拉克說，對於心臟，“你必須從移植到位的那一刻起就具有相當好的功能” 。“你不能指望移植一個只能泵出正常心臟射血分數1%、2%或5%的心臟會有什麼作用，”他說，他指的是衡量泵血效率的常用指標。容錯空間很小。“我們只是在邁出小步，”帕諾斯卡爾特西斯-莫塔裡說。“我們所處的階段和幾十年前人們進行心臟移植時所處的階段差不多。”
奧特和其他人正在開發的脫細胞過程已經為改進的組織瓣膜以及心臟和其他器官的其他部分的開發提供了資訊。例如，一個生物工程瓣膜可能比機械瓣膜或死組織瓣膜使用壽命更長，因為它們有潛力與患者一起生長並自我修復。而且其他器官可能不需要完全更換。“如果未來 5-7 年內，你沒有看到患者植入至少部分動脈、肺葉、肝葉，我會感到驚訝，”巴迪拉克說。
泰勒懷疑，部分方法可能有助於患有嚴重心臟缺陷（如左心發育不全綜合徵）的患者，在這種情況下，一半心臟嚴重發育不良。修復另一半，“實際上迫使你構建你所需的大部分東西”，她說。
這些努力可以為心臟細胞療法的發展提供借鑑。例如，研究人員正在瞭解心肌細胞如何在三維空間中發育和發揮功能。未來，部分支架，無論是合成的還是來自屍體的，都可以讓新細胞填充心臟受損區域，像補丁一樣修復它們。
這些裝滿漂浮的幽靈般器官的罐子可能看起來像是弗蘭肯斯坦故事中令人毛骨悚然的回聲，但泰勒說她的工作是愛的勞動。“有些時候我會想，‘天哪，我到底在幹什麼？’另一方面，只要有一個孩子打電話給你，說‘你能幫幫我媽媽嗎？’，那就一切都值得了。”
本文經《自然》雜誌許可轉載。該文章於2013年7月3日首次發表。
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