生物實(shí)驗室培育出來(lái)的“假肢”

“我們目前將研究的重點(diǎn)放在前臂與手掌上，用于模型系統的建立與基本原理的驗證�！辈ㄊ款D馬薩諸塞州綜合醫院的哈拉爾德·奧特（Harald Ott）是培植這條大鼠前肢的主要功臣之一�！安贿^(guò)，同樣的技術(shù)還可應用于腿和胳膊等其他四肢部位�！�

“這就像現實(shí)版的科幻小說(shuō)�！狈鹈商卮髮W(xué)醫學(xué)院的丹尼爾·維斯（Daniel Weiss）如是說(shuō)，他正在研究肺臟的再生�！斑@是一項激動(dòng)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�！�

許多接受了截肢手術(shù)的患者身上安裝的義肢在外觀(guān)上毫無(wú)問(wèn)題，但卻無(wú)法像真正的四肢那樣發(fā)揮功用�，F在，市面上又出現了一些利用仿生學(xué)的人工義肢，它們可以發(fā)揮功能，但不自然的外觀(guān)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排異反應，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(wèn)題都將迎刃而解。這種肢體由患者自身的細胞“培植”而成，因此不需要免疫抑制藥物的輔助，而且它在外觀(guān)和運動(dòng)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，而且據我所知，目前尚無(wú)其他技術(shù)培養的復合組織能夠達到我們的復雜度�！眾W特說(shuō)。

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(xiě)，意為“脫細胞化”與“再細胞化”），之前在實(shí)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(jiǎn)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(guò)，它也遭到了一些非議。

人造器官的第一步是“脫細胞化”：供體的器官/肢體經(jīng)過(guò)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成的器官“支架”，從而完好地保留它們原有的復雜結構。在此次培植大鼠前肢的實(shí)驗里，血管、肌腱、肌肉和骨骼處的膠原蛋白結構在此步操作之后被存留了下來(lái)。

第二步就是“再細胞化”，這時(shí)要將接受移植個(gè)體的細胞“種”在“器官支架”上，然后將它們放在生物反應器中培養，讓新的組織細胞依附支架生長(cháng)起來(lái)，最終使器官重新恢復“有血有肉”的狀態(tài)。最終，新的器官上不會(huì )留下任何帶有供體細胞特征的軟組織，所以它也不會(huì )被到受體的免疫組織識別為“異己”。這樣一來(lái)，排異反應就可以避免了。

同樣是利用脫去細胞再培養的方法，造出一條前臂可比培養氣管難得多，因為前者需要培育更多種類(lèi)的細胞。為了解決這個(gè)問(wèn)題，奧特首先將脫細胞后的大鼠前肢“骨架”置于生物反應器當中，并利用一套人工循環(huán)設備為其提供養分、氧氣以及電刺激。隨后，他將人類(lèi)內皮細胞注入血管的膠原支架，1個(gè)小時(shí)之后，內皮細胞重新附著(zhù)在血管表面。這一步非常關(guān)鍵，他說(shuō)，因為這樣能使新長(cháng)出來(lái)的血管更加結實(shí)，而不會(huì )在內有液體循環(huán)的情況下出現破裂。

接下來(lái)，他將小鼠成肌細胞、小鼠胚胎成纖維細胞以及人類(lèi)內皮細胞混合在一起，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(guò)，這條前肢的肌肉能用嗎？為了驗證這一點(diǎn)，研究團隊利用電脈沖刺激肌肉，發(fā)現大鼠爪子真的會(huì )做出抓握動(dòng)作，而且肌肉的強制性張力達到了新生大鼠肌肉的80%�！斑@說(shuō)明我們能實(shí)現手掌的彎曲與伸展�！眾W特說(shuō)。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(dòng)。不過(guò)，他們并沒(méi)有在活體大鼠上測試肌肉運動(dòng)功能或排異反應。 

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胞化，又給其中至少一半的支架“種”上了新的細胞，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胞，觀(guān)察這些細胞能否再生。下一步，他們必須證明神經(jīng)系統也能完成重建。前人的手部移植手術(shù)結果表明，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)驗驗證。

除此之外，奧特和同事們還在論文中展示了靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物前臂成功被脫細胞化（見(jiàn)下圖）的成果。目前，他的團隊已經(jīng)開(kāi)始在靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的“支架”上培育人類(lèi)血管細胞，這是通往人類(lèi)生物肢體技術(shù)的第一步。與此同時(shí)，他們也開(kāi)始在大鼠試驗用人類(lèi)成肌細胞替代小鼠成肌細胞并觀(guān)察效果。不過(guò)，奧特指出，大量的后續工作必不可少，在滿(mǎn)足人體測試要求的生物肢體出現之前，我們至少還需要等上10年。

脫細胞處理的靈長(cháng)類(lèi)肢體。

“這是一次值得矚目的進(jìn)步，而且具備堅實(shí)的科學(xué)基礎，不過(guò)，哈拉爾德的團隊還需要解決一些技術(shù)上的難題�！辟e夕法尼亞州匹茨堡大學(xué)的史蒂芬﹒巴蒂拉克（Steven Badylak）評論說(shuō)，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名病人當中成功實(shí)現了腿部受損肌肉的再生�！霸谒�有這些問(wèn)題當中，血液循環(huán)可能是最棘手的一個(gè)，而且你必須確保內皮細胞能覆蓋到最細小的毛細血管，這樣它們才不會(huì )塌陷并導致血栓，”他說(shuō)道，“不過(guò)，將已知的生物學(xué)基本原理投入實(shí)際應用其實(shí)是一個(gè)工程問(wèn)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(jiàn)�！皩τ谑诌@樣的復雜器官而言，其中的組織和結構實(shí)在太多了，因此這種方法肯定是不現實(shí)的�！眾W地利維也納大學(xué)的奧斯卡﹒埃茲曼（Oskar Aszmann）說(shuō)，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(shí)現有意義的功能，就必須讓它長(cháng)滿(mǎn)成千上萬(wàn)的神經(jīng)，這在目前依舊是一個(gè)無(wú)法逾越的難關(guān)。所以，盡管這是一項很有價(jià)值的工作，但它在當前只能停留在基礎研究階段，而無(wú)法進(jìn)入臨床實(shí)踐�！�

奧特設想，將來(lái)人類(lèi)的器官捐贈計劃或許也將囊括四肢捐贈。用于再生血管的細胞可以從受體的小血管中獲得，而肌肉細胞則可從大腿等部位的大型肌肉中取得�！叭绻�提取大約5克（的肌肉組織），就能從中培養出人類(lèi)骨骼肌成肌細胞�！�

僅僅在美國就有150萬(wàn)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(shuō)�！澳壳�，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�！�