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    當人們稱(chēng) 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(shuō)《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(gè)"人",并用閃電將其激活）的時(shí)候，她并沒(méi)有把這當作是一種調侃。"實(shí)際上，這是對我非常大的贊美。"她說(shuō)。在休斯敦得克薩斯心臟研究所從事再生醫學(xué)研究工作的 Doris Taylor 認為，小說(shuō)中的部分情節不是不可能做到的。當她收到剛死去的死者器官例如心臟和肺時(shí)，就著(zhù)手從細胞開(kāi)始進(jìn)行重建并嘗試讓這些器官復活，希望它們有朝一日能重新跳動(dòng)或者呼吸。

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

    然而在實(shí)踐中，這個(gè)看似簡(jiǎn)單的工作卻承受著(zhù)巨大的挑戰。研究人員已經(jīng)在培養和移植一些簡(jiǎn)單的"空心"器官（例如氣管和膀胱）上獲得了成功。但是 "實(shí)心"器官如腎臟或肺，則需要幾十種類(lèi)型的細胞找到正確的位置進(jìn)行增殖，同時(shí)鋪設血管網(wǎng)絡(luò )來(lái)維持自身生存。新的器官必須是無(wú)菌的，能夠成長(cháng)的，如果病人年輕，至少在理論上是可以進(jìn)行自我修復的。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，但心臟捐獻者非常少見(jiàn)，因為心臟經(jīng)常會(huì )因為疾病或在復蘇過(guò)程中受損，所以通過(guò)生物工程方法提供器官的穩定來(lái)源將受到醫學(xué)界的歡迎。

    Taylor 曾成功的制造了大鼠心臟，"我認為，這是完全可行的，"她隨后她補充道："但是我不認為這很簡(jiǎn)單。"她的一些同事對此抱有的態(tài)度不太樂(lè )觀(guān)。斯德哥爾摩卡羅林斯卡研究所的胸外科專(zhuān)家 Paolo Macchiarini 已經(jīng)將生物工程氣管移植到幾個(gè)病人體內，他表示雖然生物工程可能制造常規的管狀器官如氣管、動(dòng)脈和食道，但是他對于建造更復雜的器官沒(méi)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(shuō)："除了器官移植的夢(mèng)想，我們還可以從中學(xué)到很多，" 包括更好地了解心臟細胞的組織方式，或者是修復心臟損傷的新辦法。
 

    搭建心臟的"腳手架"

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

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

    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院展開(kāi)。外科醫生和再生醫學(xué)研究員 Harald Ott 已經(jīng)找到了一個(gè)構建心臟支架的新方法。

    用玻璃和塑料制造一個(gè)鼓形的腔室，外接一個(gè)塑料管，里面乘著(zhù)一個(gè)新鮮的心臟。附近是一個(gè)泵，可以推動(dòng)溶解劑通過(guò)塑料管到達心臟的主動(dòng)脈。溶解液會(huì )通過(guò)血管網(wǎng)絡(luò )被輸送到心臟各處。 Ott 解釋?zhuān)谶^(guò)去的一個(gè)星期左右，這種流動(dòng)的溶解劑會(huì )去除心臟中脂類(lèi)、DNA、可溶性蛋白質(zhì)、糖和幾乎所有其他細胞物質(zhì)，僅留下一個(gè)膠原蛋白、層粘連蛋白及其他結構蛋白構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(lèi)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(lèi)疾病。豬的心臟很少有疾病或復蘇能力減弱的現象。"豬的組織比人類(lèi)更安全，而且供應量無(wú)限，"美國匹茲堡大學(xué)再生醫學(xué)研究員 Stephen Badylak 說(shuō)。

    Ott 說(shuō)，最棘手的部分是要確保溶解劑只溶解適量的材料。剝去太少，原有基質(zhì)會(huì )保留一些，細胞表面物質(zhì)可導致器官接受者免疫系統的排異反應。剝去太多，可能會(huì )失去重要的蛋白質(zhì)和生長(cháng)因子。

    通過(guò)不斷試驗和失敗，研究人員找到了適當的溶解劑的濃度，溶解時(shí)間和壓力，完善了心臟和其他器官的脫細胞過(guò)程。這可能是器官生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展最好的時(shí)期，但它僅僅是第一步。接著(zhù)，產(chǎn)生的支架需要被重新填充。
 

    填充細胞

    "再細胞化"是一個(gè)新的挑戰，西北大學(xué)范伯格醫學(xué)院的外科醫生 Jason Wertheim 說(shuō)。"第一，我們用什么細胞？第二，我們用多少細胞？第三，它們應該是成熟的細胞、胚胎干細胞還是 iPS [誘導性多能干細胞]細胞？最佳的細胞來(lái)源又是什么？"

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

    在該領(lǐng)域的大多數研究人員通常使用兩種或多種類(lèi)型的細胞"混合物",如內皮前體細胞來(lái)鋪設血管管道或者"種植"能長(cháng)成心臟腔室壁組織的"種子". Ott 已經(jīng)利用 iPS 細胞做到了這一點(diǎn)。

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

    當位于心臟構架內時(shí)，一些未成熟的細胞會(huì )生根并開(kāi)始生長(cháng)。但要促使它們具有細胞功能，心肌細胞需要更多而不僅僅是含氧的基質(zhì)和生長(cháng)因子。"細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(shuō)， "他們所感知的不只是生長(cháng)相關(guān)因素。他們還能意識到機械力量，這能推動(dòng)它們向正確的細胞類(lèi)型發(fā)育。"

    因此，研究人員必須把心放入生物反應器來(lái)創(chuàng )造跳動(dòng)的環(huán)境。 Ott 的生物反應器將類(lèi)似于心臟起搏器的電子信號與由泵引起的物理跳動(dòng)作用結合，幫助接種在心臟支架的心肌細胞跳動(dòng)。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(zhù)巨大的挑戰。"身體的反應非常快，生物反應器還無(wú)法模仿。" Badylak 說(shuō)。

    Taylor 和 Ott 開(kāi)發(fā)出了生物反應器，并且用再細胞化所得到的細胞填充大鼠心臟，在這一過(guò)程中，他們一直都在學(xué)習。數據資料顯示，即使在人造大鼠心臟在反應器里能獨立跳動(dòng)八至十天后，它門(mén)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到 25% 的大鼠或大型哺乳動(dòng)物的心臟，她和 Ott 有信心，他們正在朝著(zhù)正確的方向前進(jìn)。

    跳動(dòng)

    最后一個(gè)挑戰是最難的：將人造的心臟植入活體動(dòng)物中，并讓它能長(cháng)時(shí)間保持跳動(dòng)。

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

    Ott 已經(jīng)證明，工程器官可以在一段時(shí)間內生存。他的研究小組將一個(gè)生物工程肺移植到大鼠體內，可以為動(dòng)物進(jìn)行氣體交換，但是肺部空腔很快被液體充滿(mǎn)。向大鼠移植的生物工程腎在今年年初成活，無(wú)凝血，但過(guò)濾尿液的能力非常弱，這也許是因為沒(méi)有產(chǎn)生足夠的腎所需要的細胞類(lèi)型。 Ott 的團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(dòng)物自身的心臟旁邊。盡管雖然研究人員可以用血喂養人造心臟，并能保持它們跳動(dòng)一會(huì )兒，但這些人造心臟都沒(méi)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(dòng)物身上。

    Badylak 說(shuō)： "你必須開(kāi)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(diǎn)閃失。現在我們只是剛剛起步。" Panoskaltsis Mortari 說(shuō)。

    Ott 和他的同行們已經(jīng)能夠對心臟和其它器官的零部件進(jìn)行改良。例如，一個(gè)人造瓣膜能比機械瓣膜或組織壞死的瓣膜用更長(cháng)時(shí)間，因為它們擁有在病人體內生長(cháng)和自我修復的能力，這樣的話(huà)，器官就不需要被完全取代。

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

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