猜猜上圖中的物體是什么?這看起來像是一截被砍斷的老鼠爪子,，不過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)家們在實(shí)驗(yàn)室中用活體細(xì)胞培育出來的人工產(chǎn)物。盡管尚不完美,，但這一技術(shù)可能會在未來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,?！辈ㄊ款D馬薩諸塞州綜合醫(yī)院的哈拉爾德.奧特(Harald Ott)是培植這條大鼠前肢的主要功臣之一?！安贿^,，同樣的技術(shù)還可應(yīng)用于腿和胳膊等其他四肢部位?！?/p>
“這就像現(xiàn)實(shí)版的科幻小說,。”佛蒙特大學(xué)醫(yī)學(xué)院的丹尼爾.維斯(Daniel Weiss)如是說,，他正在研究肺臟的再生,。“這是一項(xiàng)激動人心的新技術(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問題,，但卻無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(biolimb)一旦成功,，以上諸多問題都將迎刃而解,。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)動功能上都將與自然狀態(tài)的肢體十分接近,。
“這是對生物肢體培育的初次嘗試，而且據(jù)我所知,，目前尚無其他技術(shù)培養(yǎng)的復(fù)合組織能夠達(dá)到我們的復(fù)雜度,。”奧特說,。
如何做出一條前肢?
制作這條大鼠前肢的技術(shù)叫做“decal/recel”(分別是decellularization和recellularization的縮寫,，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，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/肢體經(jīng)過去垢劑處理,，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原有的復(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。
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)胞依附支架生長起來,，最終使器官重新恢復(fù)“有血有肉”的狀態(tài),。最終，新的器官上不會留下任何帶有供體細(xì)胞特征的軟組織,，所以它也不會被到受體的免疫組織識別為“異己”,。這樣一來，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類的細(xì)胞。為了解決這個(gè)問題,，奧特首先將脫細(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,，他將人類內(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，他說,，因?yàn)檫@樣能使新長出來的血管更加結(jié)實(shí)，而不會在內(nèi)有液體循環(huán)的情況下出現(xiàn)破裂,。
接下來,，他將小鼠成肌細(xì)胞、小鼠胚胎成纖維細(xì)胞以及人類內(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,，奧特給前肢實(shí)施了皮膚移植手術(shù)，終于大功告成,。
不過,，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)大鼠爪子真的會做出抓握動作,，而且肌肉的強(qiáng)制性張力達(dá)到了新生大鼠肌肉的80%?！斑@說明我們能實(shí)現(xiàn)手掌的彎曲與伸展,。”奧特說,。他們還為若干只大鼠進(jìn)行了移植手術(shù),，實(shí)際檢測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。不過,，他們并沒有在活體大鼠上測試肌肉運(yùn)動功能或排異反應(yīng),。
前路漫漫
奧特表示,，盡管他們已經(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，他們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,。
除此之外,，奧特和同事們還在論文中展示了靈長類動物前臂成功被脫細(xì)胞化(見下圖)的成果。目前,，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始在靈長類動物的“支架”上培育人類血管細(xì)胞,，這是通往人類生物肢體技術(shù)的第一步。與此同時(shí),，他們也開始在大鼠試驗(yàn)用人類成肌細(xì)胞替代小鼠成肌細(xì)胞并觀察效果,。不過，奧特指出,，大量的后續(xù)工作必不可少,，在滿足人體測試要求的生物肢體出現(xiàn)之前，我們至少還需要等上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,，哈拉爾德的團(tuán)隊(duì)還需要解決一些技術(shù)上的難題,。”賓夕法尼亞州匹茨堡大學(xué)的史蒂芬.巴蒂拉克(Steven Badylak)評論說,，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?！霸谒羞@些問題當(dāng)中,，血液循環(huán)可能是最棘手的一個(gè)，而且你必須確保內(nèi)皮細(xì)胞能覆蓋到最細(xì)小的毛細(xì)血管,，這樣它們才不會塌陷并導(dǎo)致血栓,，”他說道,，“不過，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意見,?！皩τ谑诌@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(Oskar Aszmann)說,，他曾經(jīng)發(fā)明了一種可以用“意念”控制的仿生手,。“而且,，要想讓一只手實(shí)現(xiàn)有意義的功能,，就必須讓它長滿成千上萬的神經(jīng)，這在目前依舊是一個(gè)無法逾越的難關(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,，而無法進(jìn)入臨床實(shí)踐?！?/p>
奧特設(shè)想,，將來人類的器官捐贈計(jì)劃或許也將囊括四肢捐贈。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)出人類骨骼肌成肌細(xì)胞,。”
僅僅在美國就有150萬的截肢者,，因此此項(xiàng)肢體再生研究具有重要的意義,，奧特如是說?！澳壳?，如果你失去了胳膊腿，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,。”
