【赠书】如何培育一颗心脏？

2022-11-12 05:11

必须得有人站出来说：“我们不能再吃药了，我们得吃菠菜。”

——比尔·马赫

（一）

为了探索另一种完全不同的心脏再生方式，我采访了哈佛大学干细胞研究所的研究员哈拉德·奥特。奥特团队的愿景很远大：利用干细胞再生出人类心脏，并希望能进一步拓展到所有器官。

人体共有约200 种不同的细胞，其中的绝大多数在繁殖时都会产生和自己一模一样的子细胞。肌肉细胞分裂产生更多的肌肉细胞，脂肪细胞分裂产生更多的脂肪细胞，以此类推。而干细胞不一样，在特定的条件下，干细胞可被诱导分化成不同种类的细胞。多数干细胞有自己的能力上限，比如血液中的干细胞就只能分化成各类血细胞，但胚胎干细胞很特殊，可被诱导分化成任何种类的细胞，因此又被称为多能干细胞。人们可在脐带、胚胎内获取多能干细胞，但后者的获取和使用争议极大。即便如此，对研究干细胞疗法的科学家来说，胚胎干细胞也还是因其具有全能性而意义巨大。人们希望能够通过这种疗法绕开器官移植，用干细胞直接培养出人类器官，来取代病变或功能出现异常的器官。

“为什么设计、培养人类心脏势在必行呢？”我这样询问奥特。奥特在干细胞研究的一个非常特殊的分支中处于最前沿。他向我解释道，如今的医学已经非常善于治疗外伤、肺炎这样的急性伤病了，因此这样的伤病造成的死亡越来越少，许多人都能活到高龄，可在年龄太大时，他们的器官就要逐渐瓦解了。

“人体内的有些组织，比如肝脏、骨骼，在受伤后都有再生机制，”奥特告诉我，“但也有许多器官（比如心脏）不具备自我再生能力。”

一开始，这些器官（比如肺）都具有一些额外的储备细胞，所以不能自我再生并不算什么大问题，但储备的细胞是会用完的。

“终末期器官衰竭是一个全球性健康问题，影响着几百万人。”他说，“也就是说，车祸、肺炎或者其他伤病再也杀不死那么多人了，人们活得越来越久，给身体积攒的损伤也越来越多，直到身体不堪重负。”

因此，近年来医学界的风向有了很大改变。20 世纪时，大多数人的目标都是修复受损的组织和器官，但如今人们投入了巨大的精力，进行心脏、肾脏、胰腺等器官的再造，以替换病人衰竭的原有器官。

（二）

2005 年前后，奥特在明尼苏达大学跟随心脏病专家多丽丝·泰勒学习，接触到了干细胞研究。泰勒研究的重点本来是用得过急性心肌梗死的实验兔，将干细胞注入其心脏，试图恢复其心脏功能；但在奥特加入团队后，他们发现仅仅把干细胞注入受损的心脏效果并不明显，他们需要的并不只是修复器官，而是重塑整个三维结构。后来，泰勒继续她的研究，最终去得克萨斯心脏研究所做了再生医学部门的领导；而奥特则前往麻省总医院做了心胸外科医生，之后又加入哈佛大学医学院做了外科学讲师。

奥特讲解道，他目前的实验基于20 世纪90 年代人们所做的组织工程研究展开。在过去的研究中，科学家发现以胶原蛋白为主要成分的细胞外基质可以被当成“脚手架”，利用这个“脚手架”来搭建细胞，我们就能制作出具有三维结构和生理功能的组织。a某种组织的细胞外基质是由构成这种组织的细胞分泌、合成的，赋予了骨骼、软骨等组织其特有的形态和特征。而以胶原蛋白为主的细胞外基质则具有能被拉长而不损坏（延展性强）、不激发免疫应答（抗原性弱）和能够允许心肌细胞等其他细胞在其内部生长的特性。

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“我不算是个好工程师，”奥特和我说，“刚开始着手研究的时候，我没有从零开始搭建这个‘脚手架’，而是直接用了死亡动物的器官。”

首先，奥特的团队会将动物的心脏进行脱细胞操作，使用特殊的清洗剂将器官的细胞全部溶解、清除。完成脱细胞操作后，他们得到的就是以胶原蛋白为主的细胞外基质，柔软坚韧，还保持着心脏的形状。

我去看了他以前留下的脱细胞处理后的心脏标本，用的是猪心脏。标本呈现出一种混浊的白色，由胶原蛋白、弹性蛋白和纤连蛋白（负责将细胞与这些物质粘连起来，有点儿像胶水）构成，看起来基本上还是一颗猪心的形状。我被这个标本深深吸引了。在我面前的这颗心脏过去曾充满细胞，而此时细胞已经尽数消失了。虽然细胞没有了，这颗心脏剩下的“建筑结构”却被精准地保存了下来，成了奥特他们打造全新心脏的完美基础。

由于全部的细胞都被清除了，留下的仅有结构蛋白，所以“脚手架”不会像移植过来的心脏那样激发免疫应答。当身体识别出某些细胞是同种异体的（不是自体的），与自身免疫系统不相容时，免疫系统就会开始攻击这些细胞，这就是病人在接受免疫不相容的捐赠器官后出现同种异体的排斥反应的主要原因。然而，使用根本没有细胞的空白样板，在理论上，人们完全有可能制造出不排异的器官。

（三）

那么，关键的问题就在于，奥特要如何给心脏形的“脚手架”充入新的、不会被免疫系统攻击的细胞呢？

他表示，2012 年的诺奖成果给了自己的团队很大的推动力。当年，诺贝尔生理学或医学奖授予了约翰·格登和山中伸弥二人，他们发现成熟的体细胞可以通过基因重组变回干细胞，方法是将4 个负责阻止不成熟的干细胞分化为成熟细胞的基因引入成熟的体细胞。更厉害的是，转化出的干细胞不是随随便便的干细胞，而是多能干细胞。你还记得吧？通过不同的诱导方式，多能干细胞有能力分化成人体内存在的所有种类的细胞——将近200 种。至于用到的成熟体细胞从哪儿来，肯定是越容易获得的细胞越好了。科学家欣喜地发现，成纤维细胞完全符合条件。

除了和心肌细胞一起存在于心肌组织中以外，成纤维细胞还是结缔组织中最常见的一类细胞，连皮肤的真皮层里都有它们存在。我们在上一章提及斑马鱼时讲到过，成纤维细胞的功能之一就是分泌结构蛋白（如胶原蛋白、弹性蛋白纤维），还有细胞外基质，也就是细胞周围的非细胞结构。奥特表示，从皮肤中就可以获取这种细胞，可比从心脏里取组织要容易多了。

等到成纤维细胞被成功转化为干细胞，再被诱导分化成心肌细胞，它们就能被种植到“脚手架”上。然而，到了这一步之后，奥特就遇到问题了。他的团队做出了心脏的部分结构，也让其中的细胞在受到刺激时能够收缩，但依然无法培育出一整颗能够搏动的人类心脏。

其他进行类似研究的实验团队没有尝试培育完整心脏，而是在探索这种“重新编程”心肌的新用途。由伦敦帝国理工学院教授西安·哈丁领导的一支英国和德国的科学家团队培养出了人类心肌细胞组成的补片，他们把补片缝在活兔子的心脏上，补片就变成了功能完备的心肌组织。很快，这项技术就能开始人体实验，研究人员希望医生能利用这种补片来取代心脏病发作患者的心脏上失去收缩功能的瘢痕组织。

但是，心肌补片和完整心脏总是不同的。奥特团队还面临着另一个巨大的挑战，那就是让重新编程后的细胞形成三维立体结构，如冠状动脉。没有冠状动脉，新造出的心脏就没有供血渠道。这些结构需要由细胞自己建造完成，细胞既是“砖瓦”，又是“工人”，要参与建造的过程。令人发狂的是，建造的蓝图也存在于这些细胞内部，被编码在它们的遗传信息库里，但至今科学家仍无法获取这些信息。人们依然在想办法，让细胞“工人” 听话地“开工”。

既然无法开启细胞的“工作开关”，奥特就只好另想办法。不能从零开始打造血管，他们就再用一次一开始处理心肌组织的老办法——拿“脚手架”来搭，这次用的是一段脱细胞的血管。和心肌一样，给心脏供血的冠状动脉在细胞结构都被清除之后，也只留下了由结缔组织构成的框架。

“我们冲那些细胞喊：‘你是个不成熟的血管细胞，你看，这儿有一根管道，你能去管道上排个队吗？’就这样，它们就去排队了。”奥特说道，“这就是我们做出来的‘脚手架’真正特殊的地方，除了脱细胞后的器官以外，我们还有完好的血管系统。”

时至今日，打造三维组织并用来替换对应的受损人体组织依然困难重重，但使用既有的“脚手架”，连过去功能正常的血管的结缔组织“骨架”都用上，并不是达成这一目标的唯一办法。

（四）

伍斯特理工学院的生物医学工程师格伦·高德特也专注于心脏再生医学领域的研究，但他使用的“脚手架”和奥特使用的完全不同，是他手底下的一名研究生吃完午饭后从食堂带回来的一种神奇的东西。

我在实验室里采访了高德特，他给我讲了这个故事。

高德特首先讲到每一个修复受损心脏（或者任何其他器官）的工作者都明白血管的重要性，许多血管的直径只有几微米。

“如果得不到足够的血供，心肌就会坏死。”高德特对我说道。

这一点奥特之前也跟我讲到过，是心脏再生研究者特别关注的一个方面，看来也是高德特遇到的难点。虽然高德特的团队能让细胞在脱细胞心脏周围的血管“脚手架”上生长，但无法培育出具有完整结构和功能的“心脏—血管”复合体。

“所以，我们想出了这种办法。”高德特边说，边给我看了一个小小的、绿色的东西。

我小心地把玩着这件东西，看着它上面的脉络，只觉得这东西像极了一片菠菜叶，感觉就是他去了趟菜市场买回来的。结果高德特肯定了我的猜测：这就是菠菜叶，正是他从菜市场买回来的。

“菠菜叶的叶脉传送水分，”他说，“而我们的血管传送血液。从工程学角度看，两者传送的都是液体。所以，当时我的研究生乔希·格什拉克就说：‘如果我们把菠菜叶的细胞处理掉，能不能只留下叶脉呢？’于是我们就此开启了整个实验。”

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高德特和格什拉克（现在已经是实验室博士后了）把菠菜叶浸泡在化学药品中，去除了全部的细胞，只留下细胞外的“脚手架”，这和奥特对动物心脏做的操作如出一辙。他们得到的结果也类似，脉管系统能够维持器官原有的结构，还能让器官的接受者免受排斥反应折磨。

高德特带我在实验室里转了转，在此期间我观摩了标本的准备过程。他先把菠菜叶逐一悬挂在小瓶子里，然后在其上方4英尺（约1.2 米）处放置特殊的清洗剂，并让清洗剂随重力向下分别滴入多根细橡胶管，最后将每根橡胶管连上一根大口径输液针，再将针头插入叶柄。

这套重力给药系统能保证清洗剂持续地流入叶片。当清洗剂遇到细胞时，就会在细胞表面留下小孔，让其内部的物质流出。等清洗剂从叶尖流出时，它也就带走了叶片的细胞内容物。这样灌注5 天之后，剩下的就只有一具通体透明、结构完美的叶片“骨架”了，其中一个细胞都没有。叶片“骨架”的构成成分是一种坚固的结构多糖：纤维素。

如果你觉得纤维素耳熟，那多半是因为它也是植物细胞壁的主要成分，还是你饮食当中的膳食纤维，能直接通过你的小肠。你消化不了纤维素，但它们能给你清肠。其实所有脊椎动物都无法靠自身消化纤维素，但有些脊椎动物体内有共生的细菌来帮忙。大量微生物广泛地存在于这些动物的消化器官内，比如马的盲肠、牛的瘤胃，这种共生关系一方面让细菌有了温暖、舒适的生存环境，另一方面让动物获得了能够分解纤维素的纤维素酶。

共生菌会将纤维素酶释放到食草动物的消化道内，纤维素酶遇上富含纤维素的食物，就能将其中的多糖分解为更易消化的物质，比如单糖。这种适应性进化让食草动物得以从过去消化不了的食物（比如草）中获取能量和营养物质。而无脊椎动物呢，虽然其中有些动物臭名昭著，整天啃食植物和木材，但其实大多数靠自己也都对付不了纤维素。就比如某些白蚁，也要靠体内共生的细菌才能消化木头。要是白蚁宝宝没能在肠道内培养出这些挥舞着鞭毛的共生菌，它们就得饿死，所以它们靠吃两口父母或“室友”的粪便来获取菌种。但也有些白蚁没有这种困扰，能合成自己的纤维素酶，无须伺候肚子里的约500 亿位“客人”。

对格伦·高德特来说，重点在于纤维素不仅结构坚固，生物惰性也很强，也就是说，它在人体内几乎不会激发免疫应答。因此，纤维素是一种近乎完美的生物相容性材料，美国也已经批准在某些医疗器械中使用纤维素成分，比如含有纤维素原纤维的床单，由细菌制造并用于外伤患者，或者用于输送药物的可植入式胶囊。

把纤维素当成关键结构，想从零开始培育心脏的人也不止高德特一个。以色列特拉维夫大学的科研人员没有使用菠菜，而是直接用上了3D 生物打印技术。虽然研究还比较初步，但他们想把从患者体内采取的活体组织当成“墨”，用来打印器官。2019 年4 月，塔尔·德维尔及其团队在众多媒体的见证下，大张旗鼓地宣布他们已经打印出了一颗小小的心脏（相当于兔子心脏的大小）。以色列科学家面对的难题也有很多。他们打印出的结构里的细胞虽然可以收缩，但整颗心脏依然不能搏动。除此以外，德维尔的团队还要解决如何在心脏上打印细小血管的问题。

（五）

虽然前路依然漫长，而且阻碍重重，但“纤维素心脏”的前景是很光明的。高德特在实验室中已经成功让人类心肌细胞在菠菜“脚手架”上生长，现在正想办法在纤维素的工作完成后将其溶解掉。他希望有朝一日，基于纤维素“脚手架”建造而成的血管经过处理，能够完全替代全部由人类细胞构成的血管。

虽然现阶段我们无法预言这类研究的实际应用情况，但高德特等一众科学家能够在植物界找到如此新颖、如此奇特的方法来造福人类，真的是太有趣了。

鉴于心脏再生或肾脏、肺等器官的再生如此艰难，我很想问这么极端的操作有什么必要性？为什么我们不能转而开发更高超的器官修复技术，或者着眼于疾病预防呢？

要回答这个问题，我们要看到在美国，医生每年要进行约4 万例器官移植手术（其中约10% 是心脏移植）。截至2020 年9月，在美国器官移植等候名单上有差不多10.9 万人。5 你跟这些人谈疾病预防早已没用，而且他们之中绝大部分人的器官都已损伤太重，修复也不是长久之计。据估计，每一天都会有20 个人死在漫长的等待当中。

哈拉德·奥特是这么解释这个问题的：“假如你汽车的冷却器坏了，再去修它就没有用了，我们只会拿一个新的换上。”

了解这一点之后，我们就能理解再生医学的终极目标了，

那就是找到心脏（以及肾脏、肝脏、肺、小肠）的替代品，让病人无须再把命运交给看不到头的等候名单，也无须再在接受移植后终身服用免疫抑制药物。也有科学家想在动物界寻找器官的替代品，比如让基因编辑猪提供堪比人类器官的器官，同时避免排斥反应。

我让奥特估计一下器官再生治疗的前景在何方，他说：“这么说吧，20 年过去之后，假如这些研究都取得了很好的成果。现在有个人得了心脏病，他会怎么样呢？”

“他会走进一家医院，医生取一点儿他的皮肤样本，就能培养出一颗他的心脏。”奥特继续说道，“一旦患者的心脏情况到达一个临界点，功能不再健全，我们就给它换掉。”

“其他器官也一样？”

“其他器官也一样。”他重复道，“这就是我期待的结果。”

本文摘编自《疯狂的心脏》。