當(dāng)人們稱 Doris Taylor 為弗蘭肯斯坦博士（"弗蘭肯斯坦"是英國女作家瑪麗·雪萊小說《科學(xué)怪人》中一名瘋狂科學(xué)家，他用許多碎尸塊拼接成一個"人",并用閃電將其激活）的時候，她并沒有把這當(dāng)作是一種調(diào)侃。"實際上，這是對我非常大的贊美。"她說。在休斯敦得克薩斯心臟研究所從事再生醫(yī)學(xué)研究工作的 Doris Taylor 認(rèn)為，小說中的部分情節(jié)不是不可能做到的。當(dāng)她收到剛死去的死者器官例如心臟和肺時，就著手從細(xì)胞開始進(jìn)行重建并嘗試讓這些器官復(fù)活，希望它們有朝一日能重新跳動或者呼吸。

    Taylor 是研究人體器官制造的先鋒，如果這個設(shè)想成為現(xiàn)實，則可以降低器官移植接受者排異反應(yīng)的風(fēng)險。其實這是一個非常簡單的原理。首先，去除死者器官上所有的細(xì)胞（這里的死者器官甚至可以不是來源于人體的）只留下蛋白支架，然后根據(jù)患者的免疫系統(tǒng)匹配相應(yīng)的干細(xì)胞重新填充。這樣一來，世界各地的移植器官短缺問題就輕松得到了解決。

    然而在實踐中，這個看似簡單的工作卻承受著巨大的挑戰(zhàn)。研究人員已經(jīng)在培養(yǎng)和移植一些簡單的"空心"器官（例如氣管和膀胱）上獲得了成功。但是 "實心"器官如腎臟或肺，則需要幾十種類型的細(xì)胞找到正確的位置進(jìn)行增殖，同時鋪設(shè)血管網(wǎng)絡(luò)來維持自身生存。新的器官必須是無菌的，能夠成長的，如果病人年輕，至少在理論上是可以進(jìn)行自我修復(fù)的。最重要的是，研究者的理想狀態(tài)是，這些器官可以使用一輩子。心臟是除腎臟和肝臟外最需求量最高的器官，僅在美國就有大約3500名患者在等待合適的心臟，但心臟捐獻(xiàn)者非常少見，因為心臟經(jīng)常會因為疾病或在復(fù)蘇過程中受損，所以通過生物工程方法提供器官的穩(wěn)定來源將受到醫(yī)學(xué)界的歡迎。

    Taylor 曾成功的制造了大鼠心臟，"我認(rèn)為，這是完全可行的，"她隨后她補充道："但是我不認(rèn)為這很簡單。"她的一些同事對此抱有的態(tài)度不太樂觀。斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的胸外科專家 Paolo Macchiarini 已經(jīng)將生物工程氣管移植到幾個病人體內(nèi)，他表示雖然生物工程可能制造常規(guī)的管狀器官如氣管、動脈和食道，但是他對于建造更復(fù)雜的器官沒有信心。

    然而，即使失敗，這樣的努力也是值得的，賓夕法尼亞洲匹茲堡大學(xué)的研究者 Alejandro Soto-Gutiérrez 說："除了器官移植的夢想，我們還可以從中學(xué)到很多，" 包括更好地了解心臟細(xì)胞的組織方式，或者是修復(fù)心臟損傷的新辦法。
 

    搭建心臟的"腳手架"

    生物學(xué)家在十余年前就已經(jīng)能在培養(yǎng)皿中把胚胎干細(xì)胞分化為跳動的心肌細(xì)胞。只要外施一點電流起搏，這些工程心臟細(xì)胞就可以保持跳動達(dá)幾小時。

    但是要把這些培養(yǎng)皿中的細(xì)胞構(gòu)建成一個心臟，需要首先構(gòu)架一個心臟三維空間"腳手架".因為已有立體人工氣管的成功，研究人員認(rèn)為我們能夠創(chuàng)造出這樣的結(jié)構(gòu)。然而，在可預(yù)見的將來，心臟結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度還是讓人鞭長莫及，特別是為心臟提供氧氣和排除廢物的毛細(xì)血管，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是極其繁復(fù)的。曾移植過生物工程膀胱的北卡羅來納州維克森林大學(xué)的 Anthony Atala 說："血管的分布是主要挑戰(zhàn)".

    目前，心臟制造技術(shù)的相關(guān)研究已經(jīng)在波士頓馬薩諸塞州總醫(yī)院展開。外科醫(yī)生和再生醫(yī)學(xué)研究員 Harald Ott 已經(jīng)找到了一個構(gòu)建心臟支架的新方法。

    用玻璃和塑料制造一個鼓形的腔室，外接一個塑料管，里面乘著一個新鮮的心臟。附近是一個泵，可以推動溶解劑通過塑料管到達(dá)心臟的主動脈。溶解液會通過血管網(wǎng)絡(luò)被輸送到心臟各處。 Ott 解釋，在過去的一個星期左右，這種流動的溶解劑會去除心臟中脂類、DNA、可溶性蛋白質(zhì)、糖和幾乎所有其他細(xì)胞物質(zhì)，僅留下一個膠原蛋白、層粘連蛋白及其他結(jié)構(gòu)蛋白構(gòu)成的用于托舉器官的網(wǎng)架。

    心臟支架并不一定非得是人類的。豬的心臟也是可能的：它們能夠起到支撐作用，而且不帶有人類疾病。豬的心臟很少有疾病或復(fù)蘇能力減弱的現(xiàn)象。"豬的組織比人類更安全，而且供應(yīng)量無限，"美國匹茲堡大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究員 Stephen Badylak 說。

    Ott 說，最棘手的部分是要確保溶解劑只溶解適量的材料。剝?nèi)ヌ伲谢|(zhì)會保留一些，細(xì)胞表面物質(zhì)可導(dǎo)致器官接受者免疫系統(tǒng)的排異反應(yīng)。剝?nèi)ヌ?，可能會失去重要的蛋白質(zhì)和生長因子。

    通過不斷試驗和失敗，研究人員找到了適當(dāng)?shù)娜芙鈩┑臐舛?，溶解時間和壓力，完善了心臟和其他器官的脫細(xì)胞過程。這可能是器官生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展最好的時期，但它僅僅是第一步。接著，產(chǎn)生的支架需要被重新填充。
 

    填充細(xì)胞

    "再細(xì)胞化"是一個新的挑戰(zhàn)，西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)生 Jason Wertheim 說。"第一，我們用什么細(xì)胞？第二，我們用多少細(xì)胞？第三，它們應(yīng)該是成熟的細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞還是 iPS [誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞]細(xì)胞？最佳的細(xì)胞來源又是什么？"

    使用成熟細(xì)胞可以說是棘手的， Taylor 說，"你無法用成人的心肌細(xì)胞進(jìn)行增殖。" 因為受損的心臟若能夠自我修復(fù)，就沒有必要移植。

    在該領(lǐng)域的大多數(shù)研究人員通常使用兩種或多種類型的細(xì)胞"混合物",如內(nèi)皮前體細(xì)胞來鋪設(shè)血管管道或者"種植"能長成心臟腔室壁組織的"種子". Ott 已經(jīng)利用 iPS 細(xì)胞做到了這一點。

    原則上， iPS 細(xì)胞方法可以提供新心臟全套的細(xì)胞類型，包括血管細(xì)胞和多種類型的心肌細(xì)胞。但在實踐中，它運行也受到了阻礙。其中之一就是人心臟的尺寸規(guī)格。 Ott 說，這一數(shù)字被嚴(yán)重低估。此外，研究人員還不知道利用 iPS 細(xì)胞能否在人心臟支架內(nèi)分化發(fā)育出正確的細(xì)胞類型。

    當(dāng)位于心臟構(gòu)架內(nèi)時，一些未成熟的細(xì)胞會生根并開始生長。但要促使它們具有細(xì)胞功能，心肌細(xì)胞需要更多而不僅僅是含氧的基質(zhì)和生長因子。"細(xì)胞能感知到所處的環(huán)境，" 一直試圖進(jìn)行肺移植的 Angela Panoskaltsis- Mortari 說， "他們所感知的不只是生長相關(guān)因素。他們還能意識到機械力量，這能推動它們向正確的細(xì)胞類型發(fā)育。"

    因此，研究人員必須把心放入生物反應(yīng)器來創(chuàng)造跳動的環(huán)境。 Ott 的生物反應(yīng)器將類似于心臟起搏器的電子信號與由泵引起的物理跳動作用結(jié)合，幫助接種在心臟支架的心肌細(xì)胞跳動。但是，想要模仿人體其他條件（例如心跳率和血壓的變化），還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。"身體的反應(yīng)非常快，生物反應(yīng)器還無法模仿。" Badylak 說。

    Taylor 和 Ott 開發(fā)出了生物反應(yīng)器，并且用再細(xì)胞化所得到的細(xì)胞填充大鼠心臟，在這一過程中，他們一直都在學(xué)習(xí)。數(shù)據(jù)資料顯示，即使在人造大鼠心臟在反應(yīng)器里能獨立跳動八至十天后，它門所產(chǎn)生的泵血能力也只是正常的成年大鼠 2%. Taylor 透露她目前剛剛獲得了泵血能力達(dá)到 25% 的大鼠或大型哺乳動物的心臟，她和 Ott 有信心，他們正在朝著正確的方向前進(jìn)。

    跳動

    最后一個挑戰(zhàn)是最難的：將人造的心臟植入活體動物中，并讓它能長時間保持跳動。

    脈管系統(tǒng)的完整性的第一道障礙。任何漏洞都可能滋生血塊導(dǎo)致器官或動物死亡。"你需要一塊完好無損的內(nèi)皮組織，否則就會有血塊或者泄漏。" Gilbert 說。

    Ott 已經(jīng)證明，工程器官可以在一段時間內(nèi)生存。他的研究小組將一個生物工程肺移植到大鼠體內(nèi)，可以為動物進(jìn)行氣體交換，但是肺部空腔很快被液體充滿。向大鼠移植的生物工程腎在今年年初成活，無凝血，但過濾尿液的能力非常弱，這也許是因為沒有產(chǎn)生足夠的腎所需要的細(xì)胞類型。 Ott 的團(tuán)隊和其他研究者通常將人造心臟植入大鼠的頸部、腹部或動物自身的心臟旁邊。盡管雖然研究人員可以用血喂養(yǎng)人造心臟，并能保持它們跳動一會兒，但這些人造心臟都沒有足夠的泵血功能。研究人員表示只有人造心臟具有更高的運作能力，才可以把它移植到更大型的動物身上。

    Badylak 說： "你必須開始做一些工作使得這些人造心臟具有良好的功能。你不能期望泵血功能只有正常心臟1或2或5%的人造心臟有所作為，這容不得我們有一點閃失。現(xiàn)在我們只是剛剛起步。" Panoskaltsis Mortari 說。

    Ott 和他的同行們已經(jīng)能夠?qū)π呐K和其它器官的零部件進(jìn)行改良。例如，一個人造瓣膜能比機械瓣膜或組織壞死的瓣膜用更長時間，因為它們擁有在病人體內(nèi)生長和自我修復(fù)的能力，這樣的話，器官就不需要被完全取代。

    Taylor 認(rèn)為她們研究中的一些方法，可以對患者有嚴(yán)重的心臟缺陷（如左側(cè)心臟發(fā)育不全綜合征）的人有所幫助。現(xiàn)在研究人員正在不斷學(xué)習(xí)，而在未來，我們可以像打補丁一樣修復(fù)受損的心臟。

    玻璃罐里懸浮的器官也許會讓人們想起科學(xué)怪人弗蘭肯斯坦的故事，但 Taylor 說她是為愛而工作的。"有的時候，我會說'天哪我這么做究竟又得到了什么？'但有的時候，又仿佛聽到一個孩子問我'你能治好我媽媽嗎？'--愛讓一切都變得值得。"