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编号:11520761
跳动的生物人工心脏
http://www.100md.com 2008年1月25日 中国医学论坛报

     已经死亡的小鼠,其心脏竟然可以在体外重新跳动!科学家们用去细胞、保留组织结构的牛、猪瓣膜来做人体心脏瓣膜替代手术已有年头,却从未有人想过,可以将这样的技术用于“制造”完整的器官。直至近日,美国科学家实现了这一大胆设想,他们称自己的成果是“在自然平台上完成的生物人工心脏”。

    近日,美国麻省总医院外科的Ott等用死去小鼠的心脏组织结构,向其中注入新生细胞,得到了重新跳动的心脏。“复活”8天后,这些心脏功能达到正常小鼠心脏功能的2%。(Nat Med 2008年1月13日在线发表)

    对于终末期心衰患者,心脏移植是治本的方法,但是供体心脏却十分有限。此外,接受移植的患者需要终生服用免疫抑制剂,糖尿病、高血压和肾衰的危险也增加。研究者希望通过生物人工心脏,能够降低免疫排斥的危险,拓宽供体心脏的选择范围。更进一步,如果这一技术能够用来培育其他生物人工器官,更多的患者将可能从中受益。

    死鼠心脏贡献结构

    研究者通过冠脉灌注去污剂12小时,可将死去小鼠的心脏去细胞(包括细胞内蛋白质和DNA),保留心肌细胞外基质,从而产生一个不含细胞、只有灌注血管、瓣膜有功能的生物支架(图1)。

    该去细胞的心脏基质只有一个薄层,其中含胶原蛋白Ⅰ和Ⅲ,层黏蛋白和纤维连接蛋白。心肌细胞外基质的纤维成分和定位被保留,心脏细胞被去除,只留下一个被压缩的结构。心室的细胞外基质被保留,其中只含有血管基膜,不含有上皮细胞或平滑肌细胞。动脉血管壁和动脉瓣膜上的纤维成分和定位也被保留。动脉瓣膜仍有功能,可以保持77.4 mmHg的冠脉灌注压。经实验发现,这样的支架可完成冠脉灌注(图2),但冠脉血管上皮细胞和核都缺失。

    注入新生细胞形成心肌和上皮

    研究者随后通过生物反应器向注入新生心脏细胞的生物支架内灌注含氧的培养液,8~10天后,比较灌注后生长出的与无灌注情况下长出的组织。结果发现,在无灌注的情况下,只能培养出直径不足50 μm的心肌,然而有灌注的情况下,培育出的心肌厚度达250 μm~1.1 mm。

    研究者还对去细胞的心脏支架植入了鼠动脉上皮细胞。7天后,上皮细胞在大、小冠脉血管壁上都形成了单层。同时,心室腔内也开始有上皮形成。

    生物人工心脏可跳动

    研究者在生物反应器中对8只去细胞小鼠心脏进行壁下注射新生心脏细胞,并模拟收缩和舒张条件进行培养液灌注,持续8~28天。在第8天时,生物人工心脏显示出收缩能力和电节律。通过电刺激还可以使左室压(LVP)增加,甚至维持一个稳定的收缩力,在2.4 mmHg左右,相当于成年小鼠心脏功能的2%或人16周胎心功能的25%(图3)。此外,通过显微镜观察这些生物人工心脏的切片发现,新长出的组织中95%为活心肌细胞。

    研究者之一、美国明尼苏达大学的Taylor教授表示,他们已经开始用猪心进行下一步实验,因为猪心的尺寸与人类心脏更接近。她表示进一步实验将研究,这样的心脏是否能够满足整个生物体的血液供应和维持其生命。

    更多“心”选择

    目前全球共有2200万心衰患者,其中很多人因为等不到合适的受体心脏无法接受移植治疗。即使等到了合适的供体心,移植治疗后的排斥问题也可能导致治疗失败。

    如果这项实验结果将来能用于制造人体心脏,需要接受心脏移植的患者考虑接受供体心脏时就多了一种选择。更乐观地估计,可能人们需要什么样的器官,都能通过这个方法“制造”。

    研究者设想,若生物人工心脏以患者自身细胞为“原材料”,那么其引起的排斥问题的几率将有可能降低。即使有排斥问题,可能也是来自受体对心脏支架部分的排斥,但是由于人体蛋白质每几个月都会更新,研究者希望能通过蛋白更新,受体能“认同”心脏的结构,这样患者只需在接受移植后暂时服用抗排斥药物。

    实现这个设想还有很多难题,例如,干细胞是在身体的任何部位都能起作用吗?还是只能在特定部位?如果从肾脏中取出干细胞,将其放入肝脏或心脏内,这些干细胞能否“知道”自己应该发育成肾脏细胞还是肝脏细胞或心脏细胞?

    研究者之一Kren表示,要使得这个成果能够应用于人类还有很长的路要走,考虑到种种障碍,可能至少需要10年的时间。但谁又能肯定呢?他说:“3年前,如果你问我得到现在的这个成果需要多长时间,我肯定也会说10年。”

    创意就这么简单

    很多科学家对这项结果给予了高度肯定。加拿大心衰网络主席、心血管医师Malcolm认为,该研究将使更多实验室对这个领域感兴趣,从而催生出更多研究成果。英国Sheffield大学的Chico医师认为,该结果是解决复杂问题过程中的重要一步,虽然是初步的研究,但是证实了干细胞可以在供体心脏“支架”重新生长。组织工程学专家McAllister评价,该项研究成果让人有想猛敲自己脑门,问“为什么我没有想到这么做”的冲动。

    近年来,组织工程学发展迅速。医生们用组织工程学皮肤治疗烧伤患者、组织工程学软骨修复关节,研究者探索如何用干细胞修复心肌损伤的心脏,也正在检测用患者细胞制造的膀胱在其体内的功能如何。这项研究的“创意”并不新鲜,因为相似的技术在人工生物瓣膜中早有应用,同样为“去细胞、留支架”的方法。

    不同的是,Taylor称,从组织迈向器官的障碍,并不来自细胞的多少,而是复杂的三维支架结构。如果利用已有的三维结构,结合组织工程学技术,让这些细胞在支架的基础上生长,就有可能培育出器官。Taylor把这比作是“装修房子”——只留原有建筑骨架,其他部分都重新修葺。

    研究者Ott表示,当他第一次看见培养皿中跳动的心脏时,竟然无法言语。因为“原来只是觉得这是个不错的主意,没想到真的实现了。”Taylor说,他们只是提供了一些工具,让自然的力量发挥更大作用。这项被许多专家称道的科研成果,在研究者说来是建立“在自然平台上”的产物。

    图1 去细胞心脏支架结构

    图2 心脏支架结构内的冠脉灌注

    图3 培养第8天时生物人工心脏显示出电节律