来自《自然》杂志
当人们称她为弗兰肯斯坦博士时，多丽丝·泰勒并不认为这是一种侮辱。“这实际上是我得到的最大的赞美之一，”她说——肯定了她的研究正在突破可能的边界。考虑到她在休斯顿德克萨斯心脏研究所担任再生医学研究主任的工作性质，泰勒不得不承认这种比较是恰当的。她定期从新近去世的人身上获取心脏和肺等器官，从细胞开始对它们进行再造，并试图让它们复活，希望它们能在活体中再次跳动或呼吸。
泰勒是致力于工程化全新器官的研究人员的先锋，旨在实现移植，而无需担心接受者免疫系统的排斥。该策略原则上很简单。首先，去除已死亡器官中的所有细胞——甚至不必是人类的器官——然后取出留下的蛋白质支架，并用与需要移植的患者在免疫学上匹配的干细胞重新填充它。瞧！ 世界各地可移植器官的严重短缺问题就解决了。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保未来有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
然而，在实践中，该过程充满了巨大的挑战。研究人员在培养和移植空心、相对简单的器官（如气管和膀胱）方面取得了一些成功（参见go.nature.com/zvuxed）。但是，培养诸如肾脏或肺等实体器官意味着要将数十种细胞类型放入完全正确的位置，并同时培养完整的血管网络以使其存活。新器官必须是无菌的，如果患者年轻，则能够生长，并且至少在名义上能够自我修复。最重要的是，它们必须能工作——理想情况下，可以终身工作。心脏是继肾脏和肝脏之后第三大最需要的器官，仅在美国就有约3500人的等待移植名单，但它在移植和生物工程方面提出了额外的挑战。心脏必须不断跳动，每天泵送约7000升血液，且没有备用。它具有由几种不同类型的称为心肌细胞的特殊肌肉细胞构建的腔室和瓣膜。而且，供体心脏很少见，因为它们通常会因疾病或复苏努力而受损，因此，稳定的生物工程器官供应将受到欢迎。
泰勒领导了一些首次成功构建大鼠心脏的实验，她对组织工程的这一最终挑战持乐观态度。“我认为这是完全可行的，”她说，并迅速补充说，“我不认为这很简单。” 一些同事则不太乐观。斯德哥尔摩卡罗林斯卡研究所的胸外科医生和科学家保罗·马基亚里尼曾将生物工程气管移植到几名患者身上，他说，尽管组织工程可以成为替换诸如气管、动脉和食道等管状结构的常规方法，但他“不相信这种情况会发生在更复杂的器官上”。
然而，宾夕法尼亚州匹兹堡大学的研究员和外科医生亚历杭德罗·索托-古铁雷斯说，即使失败，这项努力也可能是有价值的。“除了制造用于移植的器官的梦想之外，我们可以从这些系统中学习很多东西，”他说——包括更好地基本了解心脏中的细胞组织以及有关如何修复心脏的新想法。
单击此处查看大图。图片来源：NIK SPENCER/《自然》
支架
十多年来，生物学家已经能够在培养皿中将胚胎干细胞转化为跳动的心肌细胞。在外部的少量电起搏的作用下，这些工程化心脏细胞甚至会同步并保持数小时的同步跳动。
但是，要从培养皿中抽搐的斑点转变为工作的心脏，就需要一个支架来在三个维度上组织细胞。研究人员最终可能能够通过三维打印来创建此类结构——正如今年早些时候用人工气管所证明的那样（参见《自然》http://doi.org/m2q; 2013）。然而，在可预见的将来，即使是最复杂的机器也无法达到人类心脏的复杂结构。对于必须向心脏提供氧气和营养物质并从其组织深处清除废物的复杂毛细血管网络来说，尤其如此。“血管化是主要的挑战，”北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆维克森林大学的泌尿科医生安东尼·阿塔拉说，他已将生物工程膀胱植入患者体内，并且正在致力于构建肾脏（参见《自然》http://doi.org/dw856h; 2006）。
有抱负的心脏构建者的主要技术通常涉及重复利用生物学已经创造的东西。在波士顿的马萨诸塞州总医院，可以看到如何做到这一点的一个好地方，外科医生和再生医学研究员哈拉尔德·奥特演示了一种他在2000年代中期在泰勒手下接受培训时开发的方法。
一个新鲜的人类心脏悬挂在由玻璃和塑料制成的鼓形腔室中的塑料管中。附近有一个泵，正在安静地将洗涤剂推入通向心脏主动脉的管中。流量迫使主动脉瓣关闭，并将洗涤剂通过曾经为肌肉供血的血管网络，直到其所有者几天前去世。奥特解释说，在约一周的时间里，这种洗涤剂的流动将从心脏中剥离脂质、DNA、可溶性蛋白质、糖和几乎所有其他细胞物质，只留下苍白的胶原蛋白、层粘连蛋白和其他结构蛋白网：曾经将器官结合在一起的“细胞外基质”。
支架心脏不必是人类的。猪很有希望：它们拥有细胞外基质的所有关键成分，但不太可能携带人类疾病。而且它们的心脏很少因疾病或复苏努力而衰弱。“猪组织比人类安全得多，而且供应无限，”匹兹堡大学的再生医学研究员斯蒂芬·巴迪拉克说。
奥特说，棘手的部分是要确保洗涤剂仅溶解适量的物质。剥离得太少，基质可能会保留一些可能导致接受者免疫系统排斥的细胞表面分子。剥离得太多，它可能会丢失至关重要的蛋白质和生长因子，这些蛋白质和生长因子会告诉新引入的细胞在哪里粘附以及如何表现。“如果你可以使用更温和的试剂和更短的时间，你会得到更多的重塑反应，”在马里兰州哥伦比亚市的ACell公司研究脱细胞化的托马斯·吉尔伯特说，该公司为再生医学生产细胞外基质产品。
通过反复试验，增加洗涤剂的浓度、时间和压力，研究人员已经改进了数百个心脏和其他器官的脱细胞化过程。这可能是器官生成企业中发展最好的阶段，但这仅仅是第一步。接下来，需要用人类细胞重新填充支架。
细胞
伊利诺伊州芝加哥西北大学范伯格医学院的外科医生杰森·韦特海姆说，“再细胞化”带来了另一系列的挑战。“第一，我们使用什么细胞？第二，我们使用多少细胞？第三，它们应该是成熟细胞、胚胎干细胞还是iPS（诱导多能干）细胞？最佳细胞来源是什么？”
泰勒说，至少可以说，使用成熟细胞很棘手。“你不能让成人的心肌细胞增殖，”她说。“如果可以的话，我们就不会进行这场谈话了”——因为受损的心脏可以自我修复，并且不需要移植。
该领域的大多数研究人员都使用两种或多种细胞类型的混合物，例如用于衬里血管的内皮祖细胞和用于播种腔壁的肌肉祖细胞。奥特一直从iPS细胞中提取这些细胞——使用生长因子将成年细胞重新编程为类似胚胎干细胞的状态——因为这些细胞可以从有需要的患者身上提取，并用于制造免疫学匹配的组织。
原则上，iPS细胞方法可以为新心脏提供其全部细胞类型，包括血管细胞和几种类型的心肌细胞。但在实践中，它遇到了自身的问题。一个是人类心脏的巨大尺寸。奥特说，这些数字被严重低估了。“制造一百万个细胞是一回事；制造1亿或500亿个细胞是另一回事。” 而且研究人员不知道当使用iPS细胞在成人心脏支架中再现胚胎发育时，正确的细胞类型是否会生长。
当它们在支架上定植时，一些未成熟的细胞将扎根并开始生长。但是，要促使它们成为功能性、跳动的心肌细胞，需要的不仅仅是含氧培养基和生长因子。“细胞会感知它们的环境，”明尼苏达州明尼阿波利斯大学一直在尝试构建用于移植的肺的安吉拉·帕诺斯卡尔特西斯-莫塔里说。“它们不仅感知这些因子。它们还感知刚度和机械应力，”这反过来会将细胞推向其适当的发育道路。
因此，研究人员必须将心脏放入模拟跳动感觉的生物反应器中。奥特的生物反应器使用电信号——类似于起搏器——来帮助同步播种在支架上的跳动心肌细胞，并结合泵引起的物理跳动运动（参见'定制器官'）。但是，研究人员在试图模仿人体内存在的条件（例如心率和血压的变化或药物的存在）时面临着不断的挑战。“身体对事物做出反应并如此迅速地改变条件，以至于可能无法在生物反应器中模仿，”巴迪拉克说。
当泰勒和奥特最初开发用于去除细胞和重新填充大鼠心脏的生物反应器时，他们不得不边做边学。“实验室里有很多用胶带粘起来的东西，”奥特说。但最终，心脏能够在生物反应器中经过八到十天后自行跳动，产生大约相当于正常成年大鼠心脏2%的泵血能力。泰勒说，她后来已经让来自大鼠和较大型哺乳动物的心脏泵出高达正常能力的25%，尽管她尚未发表相关数据。她和奥特相信他们走在正确的道路上。
跳动
最终的挑战是最艰难的挑战之一：将新培养的、工程化的心脏放入活体动物体内，并使其长期跳动。
血管系统的完整性是第一个障碍。任何裸露的基质都充当血栓滋生的温床，这可能对器官或动物是致命的。“你需要一个相当完整的内皮细胞衬里每一个血管，否则你会出现凝血或渗漏，”吉尔伯特说。
奥特已经证明，工程化的器官可以在一段时间内存活。他的小组将一个生物工程肺移植到大鼠体内，表明它可以支持动物进行气体交换，但肺泡很快就充满了液体。奥特小组今年早些时候报告的一项工程化大鼠肾脏移植手术在没有凝血的情况下存活了下来，但仅有极小的过滤尿液能力，这可能是因为该过程没有产生肾脏所需的足够多的细胞类型（见《自然》http://doi.org/m2r; 2013）。奥特的团队和其他人已经将重建的心脏植入大鼠体内，通常是在颈部、腹部或动物自身心脏旁边。但是，尽管研究人员可以给器官供血并使其跳动一段时间，但没有一颗心脏能够支持泵血功能。研究人员需要证明心脏具有更高的功能能力，才能将其移植到比大鼠更大的动物体内。
巴迪拉克说，对于心脏，“你必须从移植到位的那一刻起就具有相当好的功能” 。“你不能指望移植一个只能泵出正常心脏射血分数1%、2%或5%的心脏会有什么作用，”他说，他指的是衡量泵血效率的常用指标。容错空间很小。“我们只是在迈出小步，”帕诺斯卡尔特西斯-莫塔里说。“我们所处的阶段和几十年前人们进行心脏移植时所处的阶段差不多。”
奥特和其他人正在开发的脱细胞过程已经为改进的组织瓣膜以及心脏和其他器官的其他部分的开发提供了信息。例如，一个生物工程瓣膜可能比机械瓣膜或死组织瓣膜使用寿命更长，因为它们有潜力与患者一起生长并自我修复。而且其他器官可能不需要完全更换。“如果未来 5-7 年内，你没有看到患者植入至少部分动脉、肺叶、肝叶，我会感到惊讶，”巴迪拉克说。
泰勒怀疑，部分方法可能有助于患有严重心脏缺陷（如左心发育不全综合征）的患者，在这种情况下，一半心脏严重发育不良。修复另一半，“实际上迫使你构建你所需的大部分东西”，她说。
这些努力可以为心脏细胞疗法的发展提供借鉴。例如，研究人员正在了解心肌细胞如何在三维空间中发育和发挥功能。未来，部分支架，无论是合成的还是来自尸体的，都可以让新细胞填充心脏受损区域，像补丁一样修复它们。
这些装满漂浮的幽灵般器官的罐子可能看起来像是弗兰肯斯坦故事中令人毛骨悚然的回声，但泰勒说她的工作是爱的劳动。“有些时候我会想，‘天哪，我到底在干什么？’另一方面，只要有一个孩子打电话给你，说‘你能帮帮我妈妈吗？’，那就一切都值得了。”
本文经《自然》杂志许可转载。该文章于2013年7月3日首次发表。
-->