生物實驗室培育出來的“假肢”

“我們目前將研究的重點放在前臂與手掌上，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�！�

“這就像現(xiàn)實版的科幻小說�！狈鹈商卮髮W(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�！斑@是一項激動人心的新技術(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�！眾W特說。

如何做出一條前肢？

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，意為“脫細(xì)胞化”與“再細(xì)胞化”），之前在實驗室中，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驗里，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”，這時要將接受移植個體的細(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，因為前者需要培育更多種類的細(xì)胞。為了解決這個問題，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個小時之后，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，因為這樣能使新長出來的血管更加結(jié)實，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？為了驗證這一點，研究團(tuán)隊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@說明我們能實現(xiàn)手掌的彎曲與伸展�！眾W特說。他們還為若干只大鼠進(jìn)行了移植手術(shù)，實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)一步實驗驗證。

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，他們也開始在大鼠試驗用人類成肌細(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。

脫細(xì)胞處理的靈長類肢體。

“這是一次值得矚目的進(jìn)步，而且具備堅實的科學(xué)基礎(chǔ)，不過，哈拉爾德的團(tuán)隊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)中成功實現(xiàn)了腿部受損肌肉的再生�！霸谒�有這些問題當(dāng)中，血液循環(huán)可能是最棘手的一個，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)基本原理投入實際應(yīng)用其實是一個工程問題，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)實在太多了，因此這種方法肯定是不現(xiàn)實的�！眾W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�！岸�且，要想讓一只手實現(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無法逾越的難關(guān)。所以，盡管這是一項很有價值的工作，但它在當(dāng)前只能停留在基礎(chǔ)研究階段，而無法進(jìn)入臨床實踐�！�

奧特設(shè)想，將來人類的器官捐贈計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，因此此項肢體再生研究具有重要的意義，奧特如是說�！澳壳埃�如果你失去了胳膊腿，或是因為癌癥治療、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�！�