我們知道，組織工程在平面和管狀器官構(gòu)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(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，其構(gòu)建是組織工程領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)和夢(mèng)想。以人體最大的臟器肝臟為例，成人肝臟重達(dá)1-1.5千克，由大約50萬(wàn)-100萬(wàn)個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)的肝小葉所組成，包含七種總共1012 （一萬(wàn)億）細(xì)胞和致密交錯(cuò)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(fù)雜的器官其難度和復(fù)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(gòu)建復(fù)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)。

器官脫細(xì)胞化技術(shù)

首先介紹組織脫細(xì)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(xì)胞化而得到。組織脫細(xì)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(xì)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(xì)胞化支架會(huì)很好的保留原有組織細(xì)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(xì)結(jié)構(gòu)，比如血管網(wǎng)。通常器官脫細(xì)胞化技術(shù)后續(xù)需要重新種植自體細(xì)胞來(lái)構(gòu)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(xì)胞化基質(zhì)材料已經(jīng)產(chǎn)品化，并正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，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(fù)效果。例如德國(guó) Auto Tissue 公司開(kāi)發(fā)的豬異種脫細(xì)胞化心臟瓣膜，就是目前唯一一款得到歐盟認(rèn)證的無(wú)細(xì)胞心臟瓣膜，用來(lái)治療小兒先天性心臟病，以實(shí)現(xiàn)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。

（A-C） 肝臟組織脫細(xì)胞化過(guò)程：正常肝臟組織逐漸褪色，顯示出豐富的血管結(jié)構(gòu)；（D） 被綠色染料呈現(xiàn)出的脫細(xì)胞化肝臟保留的精細(xì)血管結(jié)構(gòu)；（E） 脫細(xì)胞化肝臟組織可以再次被種植肝臟細(xì)胞（導(dǎo)致組織逐漸變黃），以重構(gòu)新的肝臟；（F） 熒光顯微鏡圖像顯示重建肝臟組織保留著肝臟典型的六邊形肝小葉結(jié)構(gòu)。（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

脫細(xì)胞化技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)復(fù)雜器官的重建。在動(dòng)物模型中，科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了包括心臟、肝臟、胰臟、肺、腦等復(fù)雜器官的脫細(xì)胞化和細(xì)胞重新種植，為最終實(shí)現(xiàn)器官重建帶來(lái)了曙光。美國(guó)明尼蘇達(dá)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(xì)胞化，完好的保留了心臟的細(xì)胞外基質(zhì)成分，以及心閥和腔體結(jié)構(gòu)。該脫細(xì)胞化的結(jié)構(gòu)在移植到大鼠體內(nèi)后，可重新與循環(huán)系統(tǒng)連接并恢復(fù)血供，而且通過(guò)后續(xù)生物反應(yīng)器中心肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞的重新種植，經(jīng)過(guò)28天的體外培養(yǎng)，形成可規(guī)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)、脈管系統(tǒng)和功能，非常難于重建。美國(guó)麻省總醫(yī)院的醫(yī)生們將大鼠的肝臟進(jìn)行脫細(xì)胞化，保持了肝臟特異性肝小葉單元的結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的血供系統(tǒng)。隨后在脫細(xì)胞化基質(zhì)上重新種植肝臟細(xì)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(xiàn)的器官再造，正在進(jìn)一步擴(kuò)大化和規(guī)?；?，但最終實(shí)現(xiàn)人類(lèi)器官的重建的確還需要很長(zhǎng)的一段路要走。

器官3D打印

（A） 3D打印帶有電子裝置的人造耳；（B） 該人造耳有軟骨細(xì)胞作為生物部分，硅膠作為結(jié)構(gòu)部分，銀納米顆粒作為電子元件部分，通過(guò)3D打印機(jī)構(gòu)建（圖片根據(jù)參考資料[3]修改）

如果說(shuō)脫細(xì)胞化還需借用天然組織和器官當(dāng)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(gòu)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(jì)，可根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)建各類(lèi)由高分子聚合物、金屬等單純材料構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，以打印具有生物活性組織和器官為目標(biāo)的生物打印是組織工程的新興領(lǐng)域，有望定制化的構(gòu)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(fù)雜程度的組織結(jié)構(gòu)，包括含有皮膚和軟骨細(xì)胞的片層組織；中空的類(lèi)血管、心閥和氣管等組織結(jié)構(gòu)；以及包括腎在內(nèi)的實(shí)體組織結(jié)構(gòu)。

3D 打印首先需要對(duì)所構(gòu)建的定制化組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像（如X光-CT和核磁等），以獲取組織結(jié)構(gòu)特征，并選擇合適的生物材料和細(xì)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(yǎng)促進(jìn)打印組織的成熟，進(jìn)行下游的多方面應(yīng)用。作為生物打印領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，要數(shù)位于美國(guó)圣地亞哥的 Organovo 公司。該公司以含有幾百個(gè)細(xì)胞的微組織作為生物墨水，通過(guò)特殊的 3D 打印機(jī)完成了血管、片層肝臟等特殊組織結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，在體外培養(yǎng)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(yīng)器官的宏觀結(jié)構(gòu)、細(xì)胞分布和基本功能，離完整重現(xiàn)其生理結(jié)構(gòu)和功能還有很遠(yuǎn)的距離。

3D 生物打印的最新趨勢(shì)是將生物和電子設(shè)備集成打印，形成半生物半機(jī)械的“雜合體”，如同電影中的鋼鐵俠一般重現(xiàn)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(yī)學(xué)工程師們打印出的載有電子裝置的人造耳。和傳統(tǒng)組織工程方法不同，此人造耳由生物、結(jié)構(gòu)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(xì)胞構(gòu)成，結(jié)構(gòu)部分由硅膠構(gòu)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(jī)械”人造耳。隨后，通過(guò)體外10周的培養(yǎng)使軟骨組織成熟，并通過(guò)其中的電子裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波的感知。我們可以大膽的預(yù)測(cè)，未來(lái)這種半機(jī)械組織或者器官，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàn)實(shí)也不是沒(méi)有可能。

讓豬兒們?yōu)槿祟?lèi)捐助器官

通過(guò)基因編輯等前沿技術(shù)構(gòu)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(xiàn)[5]）

器官脫細(xì)胞化技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)，是可以去掉潛在引起免疫排斥的異體/異種細(xì)胞，只保留天然器官骨架。但是，在重新種植自體細(xì)胞時(shí)過(guò)程中，要還原器官中真實(shí)的多種細(xì)胞類(lèi)型的組成和排布還是有相當(dāng)?shù)碾y度。那么，人類(lèi)有沒(méi)有可能實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(duì)象。從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，人們就開(kāi)始嘗試?yán)棉D(zhuǎn)基因豬作為人類(lèi)的器官工廠，但讓豬兒們?yōu)槿祟?lèi)捐助器官還是面臨著種屬差異造成的免疫排斥和豬體內(nèi)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(tuán)隊(duì)利用最先進(jìn)的 CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)，將豬胚胎細(xì)胞中的62個(gè)病毒基因失活，減少豬內(nèi)源逆轉(zhuǎn)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(nèi)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(xiàng)史無(wú)前例的創(chuàng)舉。

此外，比轉(zhuǎn)基因動(dòng)物更大膽和有爭(zhēng)議的想法，是讓人的器官直接長(zhǎng)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(xiàn)實(shí)，聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)“半人半豬”的味道吧？ 美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的 Pablo Ross 教授，正在嘗試讓豬身上長(zhǎng)出來(lái)源自特定患者的胰臟。研究者首先對(duì)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(xì)胞來(lái)源的誘導(dǎo)多能干細(xì)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(xì)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(dāng)然，要想把如此大膽的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，還面臨很多技術(shù)、倫理和監(jiān)管上的問(wèn)題和爭(zhēng)議。而且，人類(lèi)的干細(xì)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(xì)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(xì)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(zhàn)和機(jī)遇——擴(kuò)展和融合不同生物間的邊界，或許未來(lái)動(dòng)物才是我們?nèi)祟?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(fù)雜器官構(gòu)建方面的一些代表性成果和技術(shù)應(yīng)用。人造組織除了可移植到體內(nèi)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?nèi)祟?lèi)還面臨著無(wú)數(shù)的挑戰(zhàn)和難題，但是我們有理由相信，組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，會(huì)極大促進(jìn)人類(lèi)對(duì)自身健康或病變組織和器官的認(rèn)知、調(diào)控與重建，我們生命的奧秘也終將在此過(guò)程中得以呈現(xiàn)，人類(lèi)的許多頑疾也終將被我們?nèi)祟?lèi)所克服?。ǘ艁嗛ㄙ愊壬⑿殴娞?hào) ）

參考資料

[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