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生命科学
干细胞技术的人造器官“梦”
2014年01月02日   admin   浏览:2280
  

干细胞不同于机体其他细胞之处在于,其具有自我更新、高度增殖、多向分化的能力。胚胎干细胞更是具备分化成人体200多种细胞的“全能性”。它的这种多向分化能力,以及其在再生医学上的应用潜力,使人们再次看到了实现组织再生、器官修复甚至人造器官的曙光。

器官急缺呼唤人造奇迹

人类从未像今天一样如此需要外源器官,世界各国都在临床上面临着前所未有的器官紧缺。

据统计,在美国,每年有数百万患者患有各种组织、器官的功能丧失或功能障碍症,因而需要进行800万次手术,年耗资400亿美元。我国器官移植的供需矛盾也极为突出,目前全国有约150万名尿毒症患者,而每年却只能做3000例左右肾脏移植手术。另外,有400万名白血病患者在等待骨髓移植。

而今,干细胞技术的发展和突破、3D打印技术的演进,让等待器官的人们看到了新的希望。可是,科学家们知道,要制造出与人体一致、有序、能够行使正常功能的器官将是一项浩大的工程。

不过人们依然乐观。“科学的发展历史在一定意义上讲也是一个将各种不可能变成可能的过程。”计划生育生殖生物学国家重点实验室干细胞与免疫学研究组组长、中国科学院动物研究所研究员赵同标在接受《中国科学报》采访时说,尽管目前国际上关于干细胞向具有功能性的器官的分化的研究还处于雏形,但亦有充满希望的研究进展。

“比如,在体外从多能干细胞分化成具有简单功能的肠与肝等的研究,就是具有代表性的成果。”赵同标告诉记者。

而对于涌现出的3D打印技术在人造器官中的不断探索与实践,国家干细胞工程技术研究中心主任、中国医学科学院教授韩忠朝在接受《中国科学报》记者采访时表示:“尽管这些创新实践距离形成最终应用还有很长的路要走,但‘万事开头难’,我相信通过不断实践和完善,最终都会达到能够应用的要求,也许很慢,也许很快。”

受访专家均表示,解决器官紧缺问题是世界难题,许多科学家在为之努力、协作、实践。尽管目前看来人造器官路途漫漫,但它仍然是一个值得期待的再生医学奇迹。

组织工程:年轻有活力

干细胞研究是继人类基因组大规模测序之后最具活力、最有影响和最有应用前景的生命科学领域。自1999年干细胞研究被美国《科学》(Science)杂志评为年度世界十大科技成果之冠后,干细胞技术研究备受关注,多次上榜21世纪“值得关注的科技领域”。

“干细胞技术是相对年轻的研究领域,近年来各项技术(如重编程等)的确取得了突飞猛进的发展。”赵同标告诉《中国科学报》记者,组织工程就是以干细胞研究为基础发展起来的研究热点,它有望解决临床上急需的人工组织与器官问题,进展极为迅速,已经成为干细胞应用的主要方向。

著名干细胞研究学者罗伯特·兰萨指出:“干细胞的巨大潜力最终将被推上检验台。”据美国《华盛顿邮报》报道,2011年7月15日,经美国食品和药物管理局(FDA)批准,美国进行了首例以人类胚胎干细胞医治渐进式失明患者的手术,这被认为是干细胞领域的重要里程碑。

2012年6月14日,日本再生科学综合研究中心教授笹井芳树领导的研究小组利用小鼠的胚胎干细胞,成功地在试管中培养出了被称为“视杯”的视网膜组织。

“视杯”是胚胎发育初期形成的视网膜结构,研究人员将“视杯”再持续培养两周后,形成了接近新生小鼠视网膜的组织。视网膜含有多种细胞的复杂构造,在以往的胚胎干细胞培育技术中,从未培育出如此复杂的组织。

“从多能干细胞向特定器官分化无疑是特别重要而且最具有挑战性的课题,是干细胞培育人组织器官路上最重要的一环。”赵同标告诉记者,要应对这一挑战尚需进一步研究,“干细胞培育人组织器官的道路上还有很多困难有待克服。”

3D打印人体器官:一个浩大的工程

3D打印技术被引入生物工程技术领域以来,人们逐渐意识到,利用干细胞技术培育人体器官的梦想,在技术上有了更高明的手段。

英国《卫报》近日报道,维也纳分子生物技术研究所模拟子宫环境,通过人体干细胞培育出了一个直径仅4毫米的微型大脑。这个微型大脑由数层大脑细胞排列而成,因此它并非成熟完整的脑部,其发育程度仅相当于胚胎形成初期。

科学家称,他们目前暂时不会再让这个微型大脑继续“长大”,因为再大的话,营养成分和氧气就无法完全进入其内部,那时就需要类似血管的养分运输通道,而这样操作的难度就太大了。因此,这个微型大脑恐怕无法发育成一个完整的大脑、具备更加复杂的功能。

但科学家们依然对该成果大加赞扬,认为其能大大有助于目前的神经学科研究和药物研究。

韩忠朝告诉记者,3D打印技术应用于组织器官工程,需要满足种子细胞(干细胞)、可消化材料、适宜培养条件三个基本要素。

“要考虑的首要问题是,要有合适的干细胞。这个干细胞来源何处,是最好用病人自己的干细胞,或是别处,要解决干细胞来源的问题,即有很强分化能力的干细胞的来源问题。”韩忠朝说,现有技术条件下,人们已经可以利用干细胞分化出一些简单组织,如软骨、血管和皮肤等。

类似DIY,3D打印需要原材料。“3D打印人体器官就是把原材料(如细胞)与培养基混合在一起,在一定培养条件下这些细胞就沿着设定好的‘轨道’,塑造一个组织或者器官。”韩忠朝说,随着生物材料的进步,这一条件可满足的可能性越来越大。

他表示,随着人们对培养干细胞分化的体外繁殖条件了解得越来越透,更增进了打印器官的可能性。

然而,韩忠朝指出,组织器官不是简单的“产品”,它需要复杂的调控。“比如人工造一个肾脏或者心脏,通过手术安装到人体后,神经系统、内分泌系统的调控功能能否与之相适应,如何协调与人身体的调控,这方面可能需要进一步研究。”

“最关键的是,能够在体外从多能干细胞分化出具有正常功能的复杂的三维结构的器官。”赵同标指出,器官是由各种功能性细胞和组织组成的,但就多能干细胞向特定功能细胞类型的分化本身还有很长的路要走。

“分化效率低是最大的瓶颈。”赵同标补充说,“轮廓与外形的实现相对简单得多,而要这个打印出来的器官具有人体正常器官的功能还是一个遥远的征程。”

“可以想象,将众多类型的、复杂的、具有特定功能的细胞组织群体,组合成一个同我们人体一致的、有序的、行使正常功能的三维器官是一个多么浩大的工程。”赵同标感叹道。

首要是确保安全

韩忠朝表示,即使科学家在体外培育出完整的人造器官,距离临床移植到人体内还需要跨过安全关。

“临床上首先要确保安全,不允许有危险。种子细胞从来源上首先要过安全关,之后才考虑它是否可用。”韩忠朝指出,“无论采用胚胎干细胞还是iPS诱导多能干细胞,安全性是更主要的问题,确保安全才能用到组织器官的培育中去。”

国际学术权威杂志《科学》8月9日刊登了北京大学生命科学学院教授邓宏魁研究团队在生命科学领域的一项革命性的研究成果——用小分子化合物诱导体细胞重编程为多潜能干细胞。该成果被认为“开辟了一条全新的实现体细胞重编程的途径”,给未来应用再生医学治疗重大疾病带来了新的可能。

在这项研究中,邓宏魁团队仅使用四个小分子化合物的组合对体细胞进行处理就可以成功地逆转其“发育时钟”,实现体细胞的“重编程”。这项成果提供了更加简单和安全有效的方式来重新赋予成体细胞“多潜能性”,是体细胞重编程技术的一个飞跃,为未来细胞治疗及人造器官提供了理想的细胞来源。

“在技术层面上是一个飞跃,是领域内科学家从2006年iPS诞生的那一天起就想解决的问题。”赵同标如此评价邓宏魁团队的成果。

他认为,从技术上来讲,这种方法避免了复杂的基因操作及由此引起的基因组不稳定的顾虑。

韩忠朝对《中国科学报》记者说:“邓宏魁团队的研究成果表明,可以不用转基因的技术,把人体细胞转变为干细胞。这为将来组织工程分化建立了一定的基础。”他话锋一转,“但是这种诱导产生的多能干细胞,它的分化、增殖功能,会否形成其他瘤的安全性问题,还没有解决,机理还没有研究清楚。”

“胚胎干细胞这样的种子细胞都有可能长成肿瘤,所以要解决一个安全性的问题。”韩忠朝表示。 

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