用干细胞培养出了存活的组织器官

陈刚

美国麻省理工学院生物医学工程师罗勃特-朗杰和舒拉米特-理文伯格等人，在本周《美国国家科学院院报》在线发表最新报告，试图通过病人自身的干细胞，定制出所需要的器官，从而使得将来某一天，有望解决供体器官不足的予盾。           " ]! W3 x% `. u1 Q/ j
) u* Z9 |6 F' c: ?3 C& d
        世界上有成千上万的人需要进行器官移植。然而，供体器官并不容易获得，而且受者要有一定运气，使与移植器官的组织相容性符合，才有可能赢得第二次生命。           
# w. a- T+ J7 B* X
) K/ K9 `. Z; X        胚胎干细胞可以转化为肝、脑、肺等任何类型的细胞。科学家已经可以在培养皿中培养细胞，而且已成功地促使干细胞生长、分化为不同类型的组织。但是，由干细胞培养的组织细胞到一定程度后，便好像不再继续生长发育了，即干细胞不能够进一步构建为器官样的复杂组织结构。朗杰和理文伯格等认为，干细胞很可能需要一个更自然的三维空间环境，使之能在其中生长、分化。他们用可生物降解的聚合物，制作了一个人工支架，以给干细胞生长提供足够的物理性支持，从而使细胞聚集和组织为更大型的结构。人工支架为含有毫米大小孔径的海棉状支架。朗杰和理文伯格等设计在人工支架不同部位，应用不同的生长激素，然后在支架上种植干细胞。几天之内，干细胞便增生，并开始分化。结果，朗杰和理文伯格等在人工支架中应用激素的相应区域，发现了神经组织、软骨和肝脏细胞。朗杰和理文伯格等然后将载有干细胞分化组织的支架，种植到抑制了免疫系统功能的小鼠皮下。两周之后，他们惊讶地发现，人工组织中长出了新生血管，并且将其与小鼠脉管系统联系起来。更令人振奋的是，该人工组织仍然继续产生人类神经、软骨、肝脏细胞的蛋白。同时，人工支架本身则缓慢降解。
6 O0 i1 w- M) K# h. A
4 E/ J7 G% s6 j, _" U) T' ~6 H.
9 F! \" Q) u3 g" p4 M' m图为器官起动器。不含有干细胞(左)和含有干细胞的人工多聚物支架。/ o* H' q% s! w7 [; z% a0 `
* ?: d: y/ N  }7 U+ S+ J; ~' A& b4 z
        该研究是人类移植组织培养成活的一个决定性进步，但前路仍然较为漫长。密西根大学组织工程师大卫-莫尼认为，该成果在理解早期组织发育方面显然迈出了重要一步。但我们还需了解，这些人工组织是否能长时间保持稳定，并且是否能像器官组织一样，产生适当的功能。 ( z4 f  {' w1 y% V3 s
; Q, b! S' |: V: Q7 j( a; Z7 c
全世界有数十万人迫切需要移植器官，但不幸是，器官并不是那么容易得到，移植者赢得二次生命的机会只能依靠机率很小的组织相容性。但现在一项新研究燃起了新希望：有一天或许可通过用移植者自己的干细胞定制“个性化”器官来解决这个问题。   
  g5 k! X+ [: x* O9 w9 {
) l2 z2 w$ j% ^& h' @% \! ?  k5 {        胚胎干细胞能分化为机体的各种组织类型－从肝脏到大脑到肺。研究人员已经能够在培养皿中培养干细胞，甚至已成功刺激干细胞开始分化为不同的组织。但过了某一点后，干细胞似乎就无所适从了，它们无法进一步演化为复杂的结构如器官等。   
2 r- r+ \9 ]: D
. X! m9 T1 Q# t% Q        麻省理工学院的生物医学工程师Robert    Langer、    Shulamit  Levenberg和他们的同事推测干细胞可能需要一个更天然的三维环境才能生长和分化，因此他们制作了一个人工脚手架给这些神奇细胞以足够的物理支持，使它们能聚合并组织成更大的结构。利用生物可降解的聚合体，研究小组制作出一个含有微米大小的核孔的海绵状脚手架，不同的地方添加进不同的生长激素，然后将干细胞“播种”到里边。几天之内，干细胞开始分裂和分化。研究人员在对应的添加激素的地方分别检测到神经组织、软骨和肝细胞。   
' N- F4 r) K7 R# S" E- G  {6 L" `' Q; k- x# h4 o% J
        接下来，研究小组将设计的组织脚手架植入免疫系统失灵小鼠的皮肤下。两周后，研究小组惊奇地发现，血管充满组织，连接到小鼠的脉管系统。更激动人心的是，组织继续产生人的神经、软骨和肝脏细胞蛋白。其间，脚手架自身缓慢地降解。研究小组将有关结果发表在本周《美国科学院院刊》（PNAS）的网络版上。Levenberg称，这是创造人体移植组织研究中一次至为重要的突破。     {& b0 N: j2 B* }3 N4 q

3 M  p0 d- `4 s9 s. O) O# G$ E9 R        但密歇根大学的组织工程师David    Mooney认为，要实现这一目标还有很长的路要走。“显然，这是我们了解组织早期发育过程中非常重要的一步。”他说。“现在我们需要查明产生的这些细胞结构是否长期保持稳定，是否能向器官组织一样正确地发挥功能。”
2 [7 h9 ]- _8 _  o2 {  R7 S
3 x; j  Z! }% F. z: Y美国麻省理工学院的研究人员成功开发出一种可制造三维立体人体组织样本的新技术，这一研究成果可用于治疗性移植器官的培植。
9 ^: u) m0 `9 f. h" V! J! v  l4 d: j* u* k  }8 W
据10月13日《美国国家科学院学报》网络版介绍，研究人员将胚胎干细胞“播种”在一个由可生物降解的聚合体制成的支架上，然后利用生长因子刺激干细胞分化成特定的细胞类型，最终使其生长成为具有人体软骨、肝脏、神经及血管等不同特性的三维组织。进一步实验表明，这些分化得到的组织被植入免疫系统受抑制的老鼠体内后仍能继续生长，并融合到老鼠的血管网中，同时表达出人类蛋白的特性。 * l. {# @  r0 X7 a' f$ M1 o
! k2 b# `5 G8 C7 Z) q# |+ I
这是人类首次利用聚合体支架使胚胎干细胞分化成三维结构的人体组织。研究人员表示，聚合体支架是精心制造的，也是该技术的关键，它为细胞的生长和分布提供了物理平台，所以支架不能太软，否则在细胞机械力的作用下就会坍塌。更重要的是，支架由两种降解速度不同的聚合体制成，随着其中一种聚合体的快速降解，支架本身出现“空洞”，从而为细胞的分化生长提供了空间；而另一种降解较为缓慢的聚合体则保证了支架的稳定性。 2 @. r3 n: m8 ^/ b- d4 B" x/ O5 g

( ^, k) ]- z. M8 Q研究人员介绍，以前通行的做法是，首先使干细胞分化成多种不同类型的细胞，然后再将所需要的细胞分离出来放入特定的媒介中培养，麻省理工学院的研究人员去年就曾利用聚合体支架培养出血管组织。但此次研究人员直接将干细胞置于媒介（聚合体支架）中，然后通过不同的生长因子，使干细胞朝不同的方向分化。这一技术为医用干细胞分化提供了新思路，对于细胞和发展生物学的研究也具有重要影响。