干细胞再生器官的道路千万条，哪条能走通？

2022-06-23 21:20 作者:干细胞精研社 0人读过 | 我要投稿

基于我们日常生活的经验，身边总有一些神奇的动物，引起人们对其功能的好奇和孜孜不倦的追求。譬如鸟让人憧憬飞翔，于是人类创造了飞机，鱼让人梦想深入水底，于是人类创造了潜水艇。
那么壁虎断尾再生，蚯蚓切成两半还能成为两条完整的个体，最神奇的还有一种扁平虫，把它切成100份，依然会变成100个扁平虫。这一切让人们对自己身体的再生充满了渴望。

任何动物包括人，都是从一个细胞分裂成的。我们的头、身体、血液，脑子等等，其实是由一个受精卵细胞发育而成。而扁平虫全身都是这种全能型干细胞，所以能够无限再生。但是人类却不具备这种能力。
人只能在局部上拥有再生能力，譬如皮肤，如果我们遭遇了创伤，很快可以皮肤再生愈合，再如肝脏，即便切掉一大部分也是可以再生的，2013年《自然》杂志的一篇文章报道，儿童有时候能够在手指意外截断之后，重新长出指尖。但是更多的重要器官不能自我再生，譬如大脑、心脏、肾脏等等。
美国加州大学欧文分校发育和细胞生物学教授大卫·加德纳(David M. Gardiner)说：“在人体中肯定有某种东西，阻止了再生过程走得更远。”

多路径探索再生器官

为了解决人体器官不能再生的问题，科学家探索了多条路径，希望能最终一步步实现人体器官再生的目的。
所有的努力可以归于两大途径：内源性器官再生和外源性器官再生。

内源性器官再生

关于“内源性器官再生”，目前主要有三种的促进组织再生的方法：

1.向组织中补充成体干细胞或前体细胞;2.利用化学小分子刺激干细胞的原位增殖、分化和在体转分化;3.通过生物因子促进内源性干细胞的年轻化。
在组织再生的过程中，干细胞发挥着不可替代的作用。
根据其分化能力的不同，干细胞又被分为两类：第一类是多能干细胞（pluripotent stem cells，包括胚胎干细胞和诱导性多能干细胞），第二类是专能干细胞（multipotent stem cells）和单能干细胞（unipotent stem cells，也称成体干细胞）。顾名思义，第二类干细胞的分化能力有限，但它们却在组织再生中扮演了关键角色——组织内的内源干细胞，几乎都是成体干细胞。它们在组织轻微受损后，可协助修复过程，帮助组织恢复正常功能。

在人体内，间充质干细胞是研究和应用最多的干细胞，这类干细胞有分化成多类细胞的潜力，这包括了骨细胞、软骨细胞、肌肉细胞、以及脂肪细胞，间充质干细胞回输证明可以缓解多种衰老相关疾病，包括神经退行性疾病、血管变性、心肌梗塞和骨关节炎等。另外技术的发展为修复退行性器官提供更加行之有效的方法，例如通过遗传编辑长寿基因或抑癌基因，可以产生遗传增强型干细胞和血管细胞，在移植治疗中获得更好的疗效和安全性。
但是内源器官再生的问题，甚至比了解癌症发生和治疗的问题更加复杂，因为癌症治疗只是人类部分组织的异常再生。

外源性器官再生

在“外源性器官再生”这条路上，最直接最粗暴的方式，就是用人体的细胞再克隆一个同样的人，然后获取他们的器官。

当然目前这个仅仅停留在电影故事中，譬如《逃出克隆岛》、《别让我走》，都是制造一批克隆人，他们生存的意义仅仅为了给本体提供新鲜健康的器官，虽然克隆人从技术角度来说，这并不太困难，毕竟人类已经完成了克隆羊和克隆猴等工作，但是要真正去做克隆人的话，从伦理角度就无法令世人接受，简单来说要牺牲一个人的生命来挽救另外一个生命，这无疑很荒诞。

于是人们考虑了用和人比较接近的哺乳大动物来制造人体器官，譬如2022年1月在美国马里兰大学的转基因猪心移植，术后大卫·贝内特（David Bennett）生存了两个月，虽然可能的猪病毒原因导致死亡，但毕竟象征着人类向着活体移植异种器官迈出了历史性的第一步。2021年9月，在一名脑死亡5天的人身上，美国阿拉巴马大学伯明翰分校（UAB）医学院研究人员也尝试植入了“基因改造猪”的肾脏，手术后24小时内，右侧肾脏排出了700cc尿液，与普通成年人一天尿液量相当。

在这条路上，大家希望最终的路子是用自体的细胞制造出组织和器官，一旦能够实现必将彻底改变现在的器官移植的困境，无论是器官来源问题还是术后风险问题，都将不复存在！
自20世纪70年代后期以来，研究人员就一直试图通过人体干细胞建立长期体外培养物，以研究人体发育和形态发生，并期望在未来成功实现完美的“器官零件工厂”。
在这方面，特别是这十年来成绩非凡。我们总结如下：
1.生物人工肾

在人造器官的最新进展中，科学家们越来越接近创造出新的生物人工肾脏。由乌得勒支大学Roos Masereeuw教授的研究小组已经完成功能性生物人工肾的关键组成部分。他们制造了一种由带有肾细胞层的人工膜并实现类肾脏功能。另外还有多个团队在做这方面工作，范德比尔特大学医学中心和加州大学旧金山分校获得美国国家卫生研究院给予的600万美元资助，让他们专注于生产一个模拟人类肾脏功能的人工肾脏。

2.皮肤生物打印

皮肤是身体中最大的器官。当人们遭受伤害、创伤或与皮肤相关的医学问题时，他们可能需要更换他们的皮肤。传统上，这是通过皮肤移植来完成的，这涉及到从身体的一部分移除一块健康的皮肤组织，并用它来修复不健康或受损的皮肤区域。

发表在《生物打印趋势》上的一篇文章强调了最近的研究，这些研究通过结合生物材料和计算设计来生物打印全功能皮肤结构，从而在创造人工皮肤方面取得了进展。这意味着遭受严重烧伤或其他严重皮肤创伤的人将保留自己的皮肤，并在未来使用人造皮肤。使用这种技术的三个潜在好处是减少患者的疼痛和痛苦，减少疤痕，因为不需要皮肤移植，以及更快的恢复期。

3.生物工程肝脏

科学家已经成功创造了生物工程肝脏。作为最大的器官之一，它也是科学家最难再造的器官之一。

2015年，Organovo公司使用3D打印机逐层打印了大约20层活细胞，制造出微型肝，虽然深度仅0.5毫米，宽度4毫米，但它却具有真实肝脏器官的多项主要功能，包括产生运输激素的蛋白质，将盐和药物送递至全身。

4.人工肺

在2018年9月发表在科学子刊的文章中，德克萨斯大学加尔维斯顿国家实验室主任琼·尼科尔斯(Joan Nichols)历时15年创造了一个人工肺的原型。尼科尔斯和她的团队现在已经成功开发了生物工程肺，并将其移植到成年猪体内。手术后，猪没有表现出对人造器官的排斥，这是一项重大成就。

5.人造肠

第一个人造肠的诞生是一位医生受到一名早产儿的刺激。约翰·霍普金斯儿童中心的儿科主任医师大卫·哈坎在匹兹堡儿童医院工作的时候。他照顾的一名婴儿患了坏死性小肠结肠炎，导致肠组织死亡。唯一的选择是手术切除即将死亡的部分肠道。婴儿去世后，Hackam决定专注于寻找一种创造人工肠道的方法，以拯救遭受这种可怕情况的婴儿。他与生物医学工程师John March合作，通过在由可生物降解的合成材料制成的三维支架上培养肠道干细胞，创造了一种人工肠道，结果非常像天然的肠道。人造肠已经成功移植到狗和老鼠身上，这使得研究人员能够更多地了解人造肠吸收营养的情况。

6.人造血管

2016年，华西医院将间充质干细胞构建成具有生物活性的人工血管，并置换了恒河猴体内的一段腹部主动脉，2022年该技术将开展临床试验。

7.人工角膜

2018年，英国纽卡斯尔大学研究人员用胶原蛋白和海藻酸制造出一种强力凝胶，作为打印所用的“生物墨水”。这种材料既结实、足以保持形状，又足够柔韧耐得住3D打印机喷嘴积压，而且人体干细胞还能存活其中。纽卡斯尔大学的研究人员将这种生物墨水注入一台便宜的3D生物打印机，只用10分钟就打印出一份角膜，和人眼角膜形状大小相当。用于打印的干细胞不仅存活其中，还在打印结束后继续生长。

8.干细胞制造心肌细胞并搏动108天
为了模拟人类心脏的跳动，哈佛大学生物工程和应用物理学教授Kit Parker领导的研究小组决定设计一款“人造鱼”，来模拟心脏泵血的过程。研究人员用人类干细胞培育出心肌细胞，然后在这种生物“杂交鱼”的尾鳍两侧排列着干细胞。每当肌肉组织收缩或拉伸时，它就会打开离子通道，触发相反的运动。