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本期《自然》对再生医学的力度比较大，一是肝脏再生的新闻，另一个就是关于心脏再生的特写Tissueengineering: How to build a heart。这只能说是再生医学已经成为不得不受关注的领域，甚至超过现在热度很大的脑图计划，美国其实应该作个器官再造计划更靠谱一些，至少成功的希望更大，效益也更高。

德克萨斯休斯敦心脏研究所主任是Doris Taylor。如果有人叫她科学怪人（DrFrankenstein）时，她一点都不会介意，甚至觉得无比荣幸。这也是因为她的工作内容，她不得不接受这样得称呼。她的工作就是将把刚去世死者的心脏和肺进行体外培养，最终目的是让这些心脏重新跳动，让肺重新具备呼吸功能。Taylor教授是组织工程领域的国际领先人物，这种工作的目的是利用患者自体细胞，制造出自身器官，由于使用这种器官不存在排异问题，因此是修复受损器官的最理想策略。

原理上，组织工程是非常简单的，首先不需要从其他人提供细胞，也可以彻底解决目前捐赠器官不足的窘境。实践上，组织工程可是一个充满巨大挑战的领域。尽管目前在一些结构简单的气管和膀胱中获得了一些成功，但是在实体器官如肾脏、肺的组织工程却没有任何实质性进展（似乎最近肝脏方面有一小进步）。因为后者意味着让10多种不同类型的细胞精确地而准确地定位，并提供可以维持它们持续存活的血管供应网络。这显然是一种大型复杂工程。新造出的器官必须无菌，能够根据“宿主”需要生长，能进行自我修复。最最重要的是，这种新器官必须具有功能，当然最理想的是可给患者终身服务。

心脏是紧随肾脏和肝脏之后的第三多被移植器官，只在美每年就有3500名患者等待进行心脏移植。但是对医生和组织工程学家的挑战是，正常成年心脏必须每天连续不停地泵血7000升，心脏有4个不同腔室，通过瓣膜相通，这些结构是有数种不同的心肌细胞组成。心脏的供体非常缺乏，因为许多捐献心脏往往因为疾病和复苏术损伤，所以通过组织工程解决这个问题值得期待。

Taylor带领的课题组在国际上率先成功培育出大鼠心脏，Taylor对自己的工作非常满意，而且对将来进行人类心脏的研究充满希望，但也有人认为这并不值得乐观，例如瑞典的卡罗林斯卡研究所的PaoloMacchiarini，他曾经成功地给许多患者移植组织工程支气管。虽然他认为，虽然组织工程支气管移植可能称为常规治疗手段，但这不意味着复杂的实体器官也可以有这样美好的前景。

当然，哪怕是失败也值得尝试，因为除器官移植本身，关于器官发育的许多基础知识也非常值得期待，这些认识对寻找一些疾病的治疗手段十分必要，因此开展这些研究价值非凡。

具体到心脏组织工程，有三个方面的工作都非常重要，一是制造器官脚手架，二是填充细胞，三是建立跳动功能。

一、制作器官脚手架

大约10多年前，科学家可以在培养皿种将胚胎干细胞编程可以跳动的心肌细胞，只需要一点额外的电刺激，这些组织工程细胞可以进行数小时同步跳动。但是，如果将这些二维心脏细胞通过支架转换成三维立体结构，现在学者们可以通过三维打印技术解决这种复杂立体结构的困难(see Naturehttp://doi.org/m2q; 2013)，在不久的将来，人们将会制造出超过目前任何机器的复杂心脏结构。当然，网络血管供应也是非常重要的，因为必须有血管供应给组织血液提供营养和氧气，将二氧化碳和代谢废物带走。北卡大学的泌尿学家AnthonyAtala曾经成功给三名患者成功实施了组织工程膀胱的移植，现在正从事肾脏组织工程的研究，他认为血管结构是组织工程的巨大挑战。

现在体外制造心脏的工作正在世界范围内快速发展，其中一个典型的代表是麻萨诸塞医院，这里Harald Ott作为再生医学学者和外科医生，在2005年前后在Taylor指导下建立了一种方法。

设想一个用玻璃和塑料制作的人类心脏。在供者去世前几日，通过一个泵的推动将洗涤剂送到进入主动脉，液体流动迫使主动脉瓣关闭，洗涤剂通过冠状血管对整个心脏进行管流，持续大约一周，洗涤剂会把心脏中的可溶性蛋白、脂肪、核酸、糖和几乎所有细胞材料冲洗干净，最后只留下一个胶原蛋白、板层蛋白和其他结构性蛋白质网状苍白结构，这正是曾经的心脏细胞外基质（心脏脚手架）。

当然这种心脏脚手架不必来自人类，猪心最有前途，因为猪心拥有人心所有的细胞外基质成分，而且不可能携带人类疾病，也不会有数量的限制。

Harald Ott说，制作这种脚手架的关键是控制好洗涤剂的数量，一定要充分冲洗掉细胞成分，否则残留的细胞成分会导致移植物排斥反应。但也不能太多，这样将会导致重要蛋白和生长因子丢失，而这些蛋白和细胞因子是决定让正确的细胞在正确的位置定位和发挥正确功能的关键。

本研究的关键步骤是选择温和的试剂和缩短建模时间，经过多次失败和尝试，学者们对洗涤剂的浓度、时间和压力都进行了系统探索（非常基本的参数，似乎十分无聊，但十分重要）。科学家对多种器官的这种脱细胞程序都进行了大量反复研究。这一步骤是目前组织工程领域最成熟的，但这只是第一步，如何把人类细胞填充进脚手架才是重要的过程。

二、填充人类细胞

制备好理想的器官脚手架，下一步是如何把细胞填充到正确的位置，这也是极具挑战性的课题。芝加哥西北大学的外科医生JasonWertheim对此有比较深刻认识。他认为填充细胞有三个方面的问题，1）选择细胞类型；2）选择细胞数量；3）选择成熟、诱导或胚胎干细胞，以及理想细胞来源。

使用成熟细胞比较棘手，因为成熟的心肌细胞不能分裂，如果成熟细胞具备再生能力，心脏就可以自己修复，就没有必要用组织工程来解决这个问题了。一般情况下，科学家选择两种或多种细胞类型，例如先用内皮祖细胞形成血管，用肌肉祖细胞填充到血管周围。Ott使用诱导干细胞作为填充细胞。因为这种细胞来自于患者自己，可避免引起免疫排斥反应。理论上，诱导干细胞可以转化成各种细胞类型，例如血管细胞和其他类型的心脏肌肉细胞。但实际上，诱导干细胞也存在问题。一是心脏的大小，一个人的心脏包含500亿细胞，制造100万细胞相对容易，而制造500亿细胞则十分困难。科学家现在也不知道是否诱导干细胞是否可以在成年心脏脚手架中发育成正确的细胞类型。

当诱导干细胞种植到脚手架，一些细胞就开始扎根生长，但促使这些细胞产生功能的可以跳动的心脏细胞还需要氧气和生长因子的刺激。细胞可以识别环境，不仅可以感受到生长因子，而且可以感受到机械和应力刺激。这会引导它们沿着正确的路线分化。

有的学者利用生物反应器来制备心脏，这种心脏反应器可以模拟跳动。Ott的心脏生物反应器还有电刺激模拟心脏起搏信号。但距离真实的环境仍有很大距离，例如如何适应人体环境，心律、血压和药物刺激等。机体对各种环境刺激的反应速度非常迅速，这在生物反应器中几乎无法完全模拟。

Taylor和Ott刚开始建立生物反应器时，是用大鼠心脏进行的实验，培养的心脏在8-10天后开始跳动，但功能只相当于正常大鼠心脏的2%。Taylor说现在用大型动物心脏已经可以达到成年动物心脏功能的25%。Taylor和Ott自信走到正确的道路上。

三、建立器官功能

最后的挑战也是最艰巨的，如果把构建的体外心脏成功移植到身体内，并建立功能。

第一个困难是如何，体外的心脏存在任何血管缺陷都有可能形成凝血，并最终导致器官和动物的致命后果。Ott已经成功让工程器官存活一段时间，他的小组将一个组织工程肺移植给一只大鼠，研究结果显示移植的肺具备气体交换的功能，但不幸地是，移植肺很快被液体填满（大概缺乏产生肺表面活性物质的作用，很类似不成熟的胎儿肺）。Ott小组的组织工程肾脏，虽然可以成活，但是过滤尿液的功能很不足，或许是以内组织工程肾脏的细胞类型不够全面。Ott和其他课题组移植的组织工程大鼠心脏，分别移植到颈部、腹腔和心脏附近。虽然可以给移植心脏供血，而且可以跳动一小段时间，但没有一个可以满足机体泵血功能的需要。

Ott建立的脱细胞技术已经在其他组织工程中得到应用，例如组织工程心脏瓣膜，这种材料比机械和无生命组织有更明显的优越性。也许5-7年后，医院内移植组织工程血管、肺和肝的患者比比皆是。

Taylor 认为，这种部分器官的组织工程对某些患者仍有价值，例如左心发育不良综合征，对这种患者只需要修复发育不良的部分就可以了。

培养箱内漂浮的器官看上去确实好像是令人毛骨悚然科学怪人故事，但Taylor说她自己是爱的付出。她希望有朝一日会听到有个孩子给你打来电话说，你可以帮助我的妈妈吗？所有这一切辛苦都是值得的。