我們知道，組織工程在平面和管狀器官構建方面雖然已經(jīng)取得了較大的成功，但由于空腔和實(shí)質(zhì)性器官（比如人體的膀胱和肝臟）的功能和結構極為復雜，其構建是組織工程領(lǐng)域最大的挑戰和夢(mèng)想。以人體最大的臟器肝臟為例，成人肝臟重達1-1.5千克，由大約50萬(wàn)-100萬(wàn)個(gè)六邊形結構的肝小葉所組成，包含七種總共1012 （一萬(wàn)億）細胞和致密交錯的血管和膽管網(wǎng)絡(luò )，行使包括代謝、合成和解毒等500多種重要功能。要想人工建造如此復雜的器官其難度和復雜程度可想而知。組織工程學(xué)研究日新月異的發(fā)展給構建復雜器官帶來(lái)了新的希望。這里我們主要介紹三種有前景的器官再造技術(shù)。
首先介紹組織脫細胞化技術(shù)。第一個(gè)人工角膜替代品艾欣瞳，就是利用動(dòng)物角膜組織經(jīng)過(guò)脫細胞化而得到。組織脫細胞化技術(shù)是指經(jīng)化學(xué)和物理方法去除異體或異種組織或器官中的細胞，形成無(wú)免疫原性或低免疫原性的生物材料支架的方法。脫細胞化支架會(huì )很好的保留原有組織細胞外基質(zhì)的有效成分（也就是組織中的天然生物材料如膠原蛋白等）和其他精細結構，比如血管網(wǎng)。通常器官脫細胞化技術(shù)后續需要重新種植自體細胞來(lái)構建仿生的組織和器官。
目前，多種人類(lèi)或動(dòng)物（通常為豬或牛）組織脫細胞化基質(zhì)材料已經(jīng)產(chǎn)品化，并正在進(jìn)行臨床試驗，包括皮膚、腸道、骨、角膜、氣管、心瓣/心閥、血管等，在骨科、牙科、整形、美容以及心血管等領(lǐng)域都取得了較好的再生修復效果。例如德國 Auto Tissue 公司開(kāi)發(fā)的豬異種脫細胞化心臟瓣膜，就是目前唯一一款得到歐盟認證的無(wú)細胞心臟瓣膜，用來(lái)治療小兒先天性心臟病，以實(shí)現右心室流出道重建，目前已經(jīng)在93例兒童患者中取得了良好的臨床效果。
脫細胞化技術(shù)最大的優(yōu)勢在于對復雜器官的重建。在動(dòng)物模型中，科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現了包括心臟、肝臟、胰臟、肺、腦等復雜器官的脫細胞化和細胞重新種植，為最終實(shí)現器官重建帶來(lái)了曙光。美國明尼蘇達大學(xué)的研究者將大鼠的心臟通過(guò)冠狀動(dòng)脈灌流進(jìn)行脫細胞化，完好的保留了心臟的細胞外基質(zhì)成分，以及心閥和腔體結構。該脫細胞化的結構在移植到大鼠體內后，可重新與循環(huán)系統連接并恢復血供，而且通過(guò)后續生物反應器中心肌細胞和血管內皮細胞的重新種植，經(jīng)過(guò)28天的體外培養，形成可規律性搏動(dòng)的心臟，并能部分重塑成體心臟的功能。如前所述，肝臟由于具有復雜的結構、脈管系統和功能，非常難于重建。美國麻省總醫院的醫生們將大鼠的肝臟進(jìn)行脫細胞化，保持了肝臟特異性肝小葉單元的結構和復雜的血供系統。隨后在脫細胞化基質(zhì)上重新種植肝臟細胞，并移植入另一只肝切除的大鼠中，在血供形成后，可以看到移植后的人造肝臟和天然肝臟在外形上非常接近。這些在動(dòng)物身上實(shí)現的器官再造，正在進(jìn)一步擴大化和規?；?，但最終實(shí)現人類(lèi)器官的重建的確還需要很長(cháng)的一段路要走。
如果說(shuō)脫細胞化還需借用天然組織和器官當作模板，那么生物3D打印技術(shù)則充分發(fā)揮了組織工程技術(shù)的威力，從零開(kāi)始，“按照患者需求”，構建個(gè)性化的人造組織。其實(shí)基于純材料的3D打印和快速成型技術(shù)可以追溯到上個(gè)世紀，可根據設計構建各類(lèi)由高分子聚合物、金屬等單純材料構成的三維結構。近年來(lái)，以打印具有生物活性組織和器官為目標的生物打印是組織工程的新興領(lǐng)域，有望定制化的構建各類(lèi)組織和器官。組織工程師們已經(jīng)在體外成功打印了具有不同復雜程度的組織結構，包括含有皮膚和軟骨細胞的片層組織；中空的類(lèi)血管、心閥和氣管等組織結構；以及包括腎在內的實(shí)體組織結構。
3D 打印首先需要對所構建的定制化組織和結構進(jìn)行成像（如X光-CT和核磁等），以獲取組織結構特征，并選擇合適的生物材料和細胞。隨后就要選用合適的打印方法（如噴墨法、擠出法和激光輔助法）進(jìn)行打印成型。最后通過(guò)體外培養促進(jìn)打印組織的成熟，進(jìn)行下游的多方面應用。作為生物打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，要數位于美國圣地亞哥的 Organovo 公司。該公司以含有幾百個(gè)細胞的微組織作為生物墨水，通過(guò)特殊的 3D 打印機完成了血管、片層肝臟等特殊組織結構的構建，在體外培養過(guò)程中通過(guò)微組織之間的融合作用形成致密的組織。目前3D器官打印僅初步重建了相應器官的宏觀(guān)結構、細胞分布和基本功能，離完整重現其生理結構和功能還有很遠的距離。
3D 生物打印的最新趨勢是將生物和電子設備集成打印，形成半生物半機械的“雜合體”，如同電影中的鋼鐵俠一般重現人類(lèi)組織器官功能。其中一個(gè)有趣的例子，就是普林斯頓大學(xué)的生物醫學(xué)工程師們打印出的載有電子裝置的人造耳。和傳統組織工程方法不同，此人造耳由生物、結構和電子三部分成分同時(shí)打印而成。其中生物部分由軟骨細胞構成，結構部分由硅膠構成，而電子器件部分由銀納米顆粒打印而成，最終經(jīng)過(guò)多組分打印形成多功能的“半機械”人造耳。隨后，通過(guò)體外10周的培養使軟骨組織成熟，并通過(guò)其中的電子裝置來(lái)實(shí)現聲波的感知。我們可以大膽的預測，未來(lái)這種半機械組織或者器官，有望實(shí)現對人體各類(lèi)天然組織的輔助支持、替代甚至是超越——鋼鐵俠的“特異功能”要變?yōu)楝F實(shí)也不是沒(méi)有可能。
通過(guò)基因編輯等前沿技術(shù)構建人源化動(dòng)物，讓動(dòng)物為人類(lèi)捐助器官（圖片來(lái)源：參考文獻[5]）
器官脫細胞化技術(shù)的一大優(yōu)勢，是可以去掉潛在引起免疫排斥的異體/異種細胞，只保留天然器官骨架。但是，在重新種植自體細胞時(shí)過(guò)程中，要還原器官中真實(shí)的多種細胞類(lèi)型的組成和排布還是有相當的難度。那么，人類(lèi)有沒(méi)有可能實(shí)現異種器官移植——直接使用動(dòng)物的器官作為人類(lèi)器官的替代呢？
其實(shí)，早在1984年，人類(lèi)就曾經(jīng)大膽的嘗試過(guò)給一個(gè)人類(lèi)嬰兒移植狒狒的心臟，然而由于免疫排斥，在移植后20天之內嬰兒就死亡了。
由于和人在基因序列、器官的大小等生物學(xué)特點(diǎn)方面的相似性，豬是異種器官移植的最佳選擇對象。從上世紀90年代開(kāi)始，人們就開(kāi)始嘗試利用轉基因豬作為人類(lèi)的器官工廠(chǎng)，但讓豬兒們?yōu)槿祟?lèi)捐助器官還是面臨著(zhù)種屬差異造成的免疫排斥和豬體內病毒的感染問(wèn)題。為解決病毒感染的問(wèn)題，2015年哈佛大學(xué)的 George Church 團隊利用最先進(jìn)的 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)，將豬胚胎細胞中的62個(gè)病毒基因失活，減少豬內源逆轉錄病毒，從而大大降低了感染人類(lèi)的可能性。他們嘗試同時(shí)敲除豬體內產(chǎn)生免疫排斥的20多個(gè)相關(guān)基因，同時(shí)編輯如此大量的基因還真是一項史無(wú)前例的創(chuàng )舉。
此外，比轉基因動(dòng)物更大膽和有爭議的想法，是讓人的器官直接長(cháng)在豬兒們的身上， 這種人源化的“嵌合體動(dòng)物”已經(jīng)開(kāi)始從神話(huà)中逐步走進(jìn)了現實(shí)，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)“半人半豬”的味道吧？ 美國加州大學(xué)戴維斯分校的 Pablo Ross 教授，正在嘗試讓豬身上長(cháng)出來(lái)源自特定患者的胰臟。研究者首先對豬胚胎通過(guò)基因編輯敲除胰臟等器官發(fā)育所需的基因，造成胰臟發(fā)育缺陷。隨后將特定患者皮膚細胞來(lái)源的誘導多能干細胞（iPSCs）注入上述經(jīng)過(guò)基因編輯的豬胚胎，形成帶有患者來(lái)源干細胞的嵌合胚胎，并將這些嵌合胚胎植入母豬子宮中發(fā)育成小豬。由于 iPSCs 可以發(fā)育成幾乎所有人類(lèi)器官，研究者希望這樣的胚胎可以最終發(fā)育為帶有特定病人胰臟的豬。當然，要想把如此大膽的想法變?yōu)楝F實(shí)，還面臨很多技術(shù)、倫理和監管上的問(wèn)題和爭議。而且，人類(lèi)的干細胞也沒(méi)那么容易就乖乖地在豬身上只分化和發(fā)育為人類(lèi)想要的胰腺細胞，萬(wàn)一哪天豬兒們真的變成科幻片《猩球崛起》中會(huì )說(shuō)人話(huà)、如人類(lèi)般聰明的猩猩一樣，很難想象這個(gè)世界將會(huì )變成怎樣一番光景？到時(shí)候你的腦洞可還承受得了嗎？無(wú)論如何，上述基因編輯和干細胞等研究領(lǐng)域里技術(shù)上的突破，為人類(lèi)帶來(lái)了新的挑戰和機遇——擴展和融合不同生物間的邊界，或許未來(lái)動(dòng)物才是我們人類(lèi)的救星。
以上我們向讀者簡(jiǎn)略介紹了組織工程這一新興學(xué)科在復雜器官構建方面的一些代表性成果和技術(shù)應用。人造組織除了可移植到體內輔助再生，還能在體外病理研究和藥物篩選等領(lǐng)域大顯身手。作為人類(lèi)創(chuàng )造自身的煉金術(shù)，組織再生的“信念愈來(lái)愈逼真”，“被禮贊為造化的神秘品，我們敢于憑智慧加以陶甄”。雖然在創(chuàng )建人類(lèi)自身的道路上，我們人類(lèi)還面臨著(zhù)無(wú)數的挑戰和難題，但是我們有理由相信，組織工程和再生醫學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，會(huì )極大促進(jìn)人類(lèi)對自身健康或病變組織和器官的認知、調控與重建，我們生命的奧秘也終將在此過(guò)程中得以呈現，人類(lèi)的許多頑疾也終將被我們人類(lèi)所克服！
[1] The use of whole organ decellularization for the generation of a vascularized liver organoid, Hepatology. 53: 604–17 (2010)
[2] 3D bioprinting of tissues and organs, Nature Biotechnology. 32, 773–785 (2014)
[3] 3D Printed Bionic Ears, Nano Lett. 13(6): 2634–2639 (2013)
[4] Gene-editing record smashed in pigs, Nature. doi:10.1038/nature.2015.18525h, (2015)
[5] http://www.npr.org/sections/health-shots/2016/05/18/478212837/in-search-for-cures-scientists-create-embryos-that-are-both-animal-and-human
杜亞楠，博士，清華大學(xué)醫學(xué)院生物醫學(xué)工程系研究員、長(cháng)聘副教授、博士生導師。本科畢業(yè)于清華大學(xué)化學(xué)工程系。博士畢業(yè)于新加坡國立大學(xué)生物工程系。在美國麻省理工學(xué)院和哈佛醫學(xué)院進(jìn)行博士后研究。2010年起受聘于清華大學(xué)醫學(xué)院生物醫學(xué)工程系。從事組織工程、生物材料和再生醫學(xué)等領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作。
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