人类创造和修复自身的炼金术

《浮士德》中用炼金术方法在烧瓶中造人的场景（图片来自维基百科）

其实大千世界之神奇远远超出我们所能想象：蜥蜴和壁虎在危机关头可以自主断尾，随后自愈如初；一种叫蝾螈的两栖动物在短时间内可完整再生晶状体、角膜，尾巴、下肢和大部分心脏等器官，且不留疤痕。然而我们人类就没有那么幸运了，当疾病、创伤给机体造成较大损伤，大多数情况下，人类都无法像蝾螈等动物一样实现完整的自我修复和愈合。

然而，上帝是公平的，虽然“忘了给我们翅膀”，人类有科学和技术“带领我们飞翔。”日新月异的科技改变着世界和人类自身，使人类在某种程度上得以超越上苍所设诸多界限，化神话为现实。我们今天要跟读者朋友介绍的组织工程和再生医学，就有可能让人类拥有金刚狼和蝾螈一般的再生能力，是人类创造和修复自身的“炼丹术”。 

下面让我们穿越时空，在不同的历史时期，去治疗两位急需就医的病人：一位皮肤深度烧伤，另一位患有晚期肝硬化。如果我们穿越回19世纪末的医院，当时的医学已经可以通过“拆东墙补西墙”的皮肤移植（如从大腿取材）来治疗烧伤患者，但遗憾的是对肝硬化病人却束手无策；如果我们穿越回20世纪末，烧伤病人就已经可以靠解冻即用的组织工程人造皮肤来修复再生伤口，而如果肝硬化病人运气好的话，在漫长的等待后，也有机会找到供体，接受肝移植重获新生；而如果我们穿越到21世纪末，到那个时候，生物3D打印技术就有可能可以直接在病人的烧伤区域，根据烧伤的情况，精准快速的重构新皮肤，而肝硬化病人也有望能够移植一个全新的人造肝脏——这不正是歌德梦寐以求的么？ 

上面的穿越带我们初步领略了人类组织修复技术的发展和展望。其实，早在2500多年前，印度人就开始用自体皮肤移植的方法为受鼻刑的犯人重塑鼻子。到了19世纪70年代，英国医师George Pollock第一次用异体皮肤移植（从另外一个人获得皮肤）的方法治疗了一位烧伤的8岁小女孩。然而对于像肝脏这类大型复杂器官， 直到1954年在美国波士顿的麻省总医院才实现了人类第一例同卵双胞胎间肾脏移植的医学壮举。随后，人类在1967年实现了肝脏移植和心脏移植。

从相对简单的皮肤到复杂如肝脏的器官移植，为人类组织和器官的再生和修复提供了有效手段，至今依然是很多疑难杂症的终极治疗方法。然而，无论是自体移植还是异体移植，都会对捐献者造成病痛和损伤，而且要找到合适的供体也非常困难，有时只能听天由命，看过《乔布斯传》的人都还记得乔帮主在加州苦苦等待肝脏捐献那一段的煎熬，以及得知信息当晚就坐着私人飞机到田纳西州接受肝脏移植的紧迫和惊险。据统计，我国目前约有100万终末期疾病患者亟需器官移植，但其中真正能够获得器官捐助的人仅有1万人，大量病患在漫长的等待中丧失了最佳的治疗时机，令人扼腕叹息。

上：第一个生物材料“皮肤替代物”Integra的发明者Ioannis Yannas博士和John Burke医生；下：第一个组织工程产品“人造皮肤”Apligraf发明者Eugene Bell博士，组织学表征显示Apligraft可模拟天然皮肤表皮和真皮的双层结构。（图片据参考资料[1][2]制作）

需求是发明创造之母，为了攻克上述医学难题，“组织工程和再生医学”应运而生。让我们再穿越到1970年代的美国波士顿，此时细胞生物学和材料科学正蓬勃发展，两个领域的交叉也呼之欲出。来自波士顿儿童医院的骨科医生William Green首次用分离的软骨细胞结合脱钙骨对患有软骨缺损的兔子进行了软骨再生实验。麻省理工学院的材料学家 Ioannis Yannas教授和麻省总医院的临床医生 John Burke经过大量的尝试了，最终发明了一种由天然胶原蛋白和多糖组成的生物材料，作为“皮肤替代物”，移植后可有效的促进真皮再生（成为后期商品Integra的原型）。其后麻省理工学院的细胞生物学家Eugene Bell教授更是将人的皮肤纤维细胞和角质化细胞分离，并结合天然胶原蛋白制造出具有天然“表皮真皮双层结构”的仿生人造皮肤，这名教授随后投身产业界，创立了著名的Organogenesis（中文译为器官再生）公司，经过10余年漫长的临床试验，于1998年推出了第一个获批的带有异体活细胞的组织工程皮肤产品Apligraft。

伴随着业界的风起云涌，以1993年美国麻省理工学院的化学工程师Robert Langer和麻省总医院的临床医生Joseph Vancanti共同发表在《科学》杂志上的关于组织工程的综述文章为标志，组织工程作为一门新兴学科被学术界广泛认可。《科学》杂志上这篇被奉为经典的文章里，这两位组织工程领域的“先行者”总结了20多年来领域内的相关科学研究成果，如此定义这个充满无限可能性的学科：“这是一个多学科交叉的领域，运用工程和生命科学的原理开发生物代替物，以恢复、维持和改善组织功能。”

从那时候起直到今天的20多年间，这个“做造物主工作”的学科开始了更加波澜起伏、激动人心的发展历程。 

结合组织工程三要素在体外将细胞种植到生物材料支架上在富含活性因子的培养环境中构建人造组织。（作者供图）

在Langer和Vancanti的《科学》综述中，构建“人造组织”的思路和方法与建楼如出一辙：生物材料就是人造组织的“脚手架”，提供支持和塑形的功能；组织大厦中的“一砖一瓦”是由各类细胞构成的，决定了组织活性和功能的核心；大楼中还需要有水、电等能量物质，这由各类具有不同生物活性的可溶性因子（一般是培养液中的各类生长因子和激素等）所完成——这构成了组织工程中的“三要素”。随后，就像“炼金术造人”中所描述的那样，将装载有各类细胞的生物材料支架浸泡在富含千百种活性因子和营养成分的培养液中，在模拟生理温度（37℃）和酸碱度(pH 7.4)的生物反应器中培养成组织。

组织构建的核心元素是细胞，包括成体细胞和干细胞。成体细胞是分化的成熟细胞。我们不妨打量一下自己，每个成年人都是由200多种、约10¹⁴（100万亿）个成体细胞构成的生命体。我们的生老病死、喜怒哀乐都是这海量细胞相互作用的结果。原代成体细胞可通过组织分离获得，我国早期从事组织工程研究的上海交通大学医学院附属第九人民医院的曹谊林医生，就和前面提到的麻省总医院的Vancanti合作，将分离的软骨细胞种植到具有人耳轮廓的生物材料支架上，然后植入到老鼠背部，形成了携带有耳朵结构软骨组织的Vancanti老鼠。和体细胞对应的另一类细胞是干细胞。一个“干”字尽显其重要性：干细胞是可分化成其他种类功能细胞（如皮肤细胞、肝脏细胞等）的“万能细胞”，包括从胚胎中获得的胚胎干细胞、从成体组织中获得成体干细胞，以及经过体外诱导的多能干细胞等。神奇的干细胞还可以在保持自身特性的同时不断复制自己，可以提供大量的细胞来源。不要忘了，我们每个生命都是从一个受精卵分裂产生的胚胎干细胞不断复制和分化而生，而生命的衰老也和体内成体干细胞不断枯竭相关。2007年日本学者山中伸弥通过导入4个基因，成功将皮肤细胞诱导成具有胚胎干细胞特性的诱导多能干细胞(iPSCs)，从此不同种类细胞之间的界限被彻底打破，也使得孙悟空拔根毫毛变出猴子猴孙的神话有可能变成现实（拔掉的毛发前端一般都会有皮肤细胞残存，吴承恩先生真有先见之明）。

历经半个世纪的发展，已有多款人造组织工程产品问世，扩展着人类医学可及的疆域。目前，包括前面提到的Apligraf和Integra在内，已有多款人造皮肤上市，应用于烧伤、烫伤等大面积皮肤损伤和皮肤溃疡（如糖尿病足溃疡）的修复。 另外，人造皮肤在美容整形领域也展现出巨大潜力，现在靠“美图秀秀”才能实现的变肤、美颜“幻象”，未来都有可能通过人造皮肤来真正实现。 

另一项代表性的组织工程产品是人工角膜，可用于先天性失明或者意外事故导致的视网膜损伤的修复。将患者自身角膜干细胞放到生物材料支架中，通过体外培养形成含活细胞的“组织工程人工角膜”。另外，也可以用动物角膜经过脱细胞化处理，保留角膜有效成分形成“脱细胞化人工角膜”。中国再生医学公司研制的“艾欣瞳”脱细胞人工角膜是全球第一个上市的同类产品。移植人工角膜可对角膜溃疡的病人进行角膜修复，让患者重见光明的梦想得以照进现实。

组织工程还为新生命的孕育带来了希望。中国不孕不育人口已超过5000万人，其中20%左右的不孕不育与女性子宫内膜损伤有关，导致受精卵无法着床发育。中科院遗传与发育生物学研究所戴建武教授和南京鼓楼医院的妇产科医生合作，用从患者自身骨髓中抽取的间充质干细胞，附着在胶原膜上通过培养构建“人造子宫内膜”，移植到患者子宫内壁的受损部位，引导子宫内膜再生，一般３至５个月就能使患者子宫内膜重新修复，此组织工程疗法是世界首次，已使很多不孕的妈妈顺利生产出健康的宝宝。与此同时，组织工程骨、软骨等产品也相应问世，为运动和衰老损伤等相关疾病的治疗带来了希望。

需要指出的是，上述组织工程产品一般需要进行手术移植，有可能给患者造成潜在的损伤。组织工程领域的最新进展，可进行微小尺度人造组织的构建，实现微创疗法。笔者所在的研究团队开发的可注射人造微组织技术，借鉴了半导体工业中微加工技术，可以制作形貌、特性精确可控的微尺度（毫米之下）生物材料支架，为细胞生长提供骨架和适合的三维生长微环境，具有良好的弹性和可注射性，能够通过注射器直接注射到病患部位，实现高效微创再生治疗。此新型“可注射微组织微创再生疗法”已在动物试验中成功医治了下肢缺血性疾病和肝病，展现出良好的临床应用前景。我们有理由相信，未来组织工程、干细胞等再生医学疗法，将成为和药物、介入等疗法并列的医学治疗手段供患者选择，成为治疗疑难杂症的利器。 

相信你已经发现，当今组织工程产品主要集中在皮肤、角膜和骨骼等结构、功能相对简单的组织类型，而人体其他更加复杂器官的构建是这一领域的终极目标和挑战。人体组织器官从结构复杂程度上可分为四个层次：平面组织、管状组织、空腔脏器和实质器官。其中结构最简单的是平面组织，通常由多层细胞组成，如皮肤、角膜、子宫内膜等；管状结构一般由构成屏障和行使功能的“上皮或内皮”以及行使支持功能的外层组成，通常作为液体或者气体的通道，例如气管、食管、血管、尿管、淋巴管等；空腔脏器内部含有大量空间，具有由内皮细胞内层和平滑肌/结缔组织外层所组成的双层结构，相对于管状结构，空腔脏器能够行使更加复杂的功能，包括膀胱、子宫、胃、肠、胆囊等；实质性脏器是相对于空腔脏器而言内部实心的脏器，包括人们常说的五脏即：心、肝、脾、肺、肾等。

组织工程在平面和管状器官都已经取得了较大的成功，而空腔和实质性器官在所有组织器官中功能和结构最为复杂，实现这些复杂器官的构建是本领域的最大梦想，也是当前研究的最大难点和挑战。以人体最大的脏器肝脏为例，成人肝脏重达1-1.5千克，由大约50万-100万个六边形结构的肝小叶所组成，包含七种总共10¹²（一万亿）个细胞，以及致密交错的血管和胆管网络，行使包括代谢、合成和解毒等500多种重要功能。

因此，要想人工建造像肝脏这样如此复杂的器官，其难度和挑战可想而知，而组织工程学研究日新月异的发展给构建复杂器官带来了新的希望，我们将在下一次为读者详细介绍几种目前非常有前景的器官再造技术，敬请期待吧。

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赛先生由百人传媒投资和创办，文小刚、刘克峰、颜宁三位国际著名科学家担任主编，告诉你正在发生的科学。上帝忘了给我们翅膀，于是，科学家带领我们飞翔。

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