人造器官构建技术走到哪一步?猪为人类捐助器官

我们知道，组织工程在平面和管状器官构建方面虽然已经取得了较大的成功，但由于空腔和实质性器官(比如人体的膀胱和肝脏)的功能和结构极为复杂，其构建是组织工程领域最大的挑战和梦想。以人体最大的脏器肝脏为例，成人肝脏重达1-1.5千克，由大约50万-100万个六边形结构的肝小叶所组成，包含七种总共1012 (一万亿)细胞和致密交错的血管和胆管网络，行使包括代谢、合成和解毒等500多种重要功能。要想人工建造如此复杂的器官其难度和复杂程度可想而知。组织工程学研究日新月异的发展给构建复杂器官带来了新的希望。这里我们主要介绍三种有前景的器官再造技术。

器官脱细胞化技术

首先介绍组织脱细胞化技术。第一个人工角膜替代品艾欣瞳，就是利用动物角膜组织经过脱细胞化而得到。组织脱细胞化技术是指经化学和物理方法去除异体或异种组织或器官中的细胞，形成无免疫原性或低免疫原性的生物材料支架的方法。脱细胞化支架会很好的保留原有组织细胞外基质的有效成分(也就是组织中的天然生物材料如胶原蛋白等)和其他精细结构，比如血管网。通常器官脱细胞化技术后续需要重新种植自体细胞来构建仿生的组织和器官。

目前，多种人类或动物(通常为猪或牛)组织脱细胞化基质材料已经产品化，并正在进行临床试验，包括皮肤、肠道、骨、角膜、气管、心瓣/心阀、血管等，在骨科、牙科、整形、美容以及心血管等领域都取得了较好的再生修复效果。例如德国Auto Tissue公司开发的猪异种脱细胞化心脏瓣膜，就是目前唯一一款得到欧盟认证的无细胞心脏瓣膜，用来治疗小儿先天性心脏病，以实现右心室流出道重建，目前已经在93例儿童患者中取得了良好的临床效果。

(A-C) 肝脏组织脱细胞化过程:正常肝脏组织逐渐褪色，显示出丰富的血管结构;(D) 被绿色染料呈现出的脱细胞化肝脏保留的精细血管结构;(E) 脱细胞化肝脏组织可以再次被种植肝脏细胞(导致组织逐渐变黄)，以重构新的肝脏;(F) 荧光显微镜图像显示重建肝脏组织保留着肝脏典型的六边形肝小叶结构。(图片来源:参考资料[1])

脱细胞化技术最大的优势在于对复杂器官的重建。在动物模型中，科学家已经实现了包括心脏、肝脏、胰脏、肺、脑等复杂器官的脱细胞化和细胞重新种植，为最终实现器官重建带来了曙光。美国明尼苏达大学的研究者将大鼠的心脏通过冠状动脉灌流进行脱细胞化，完好的保留了心脏的细胞外基质成分，以及心阀和腔体结构。该脱细胞化的结构在移植到大鼠体内后，可重新与循环系统连接并恢复血供，而且通过后续生物反应器中心肌细胞和血管内皮细胞的重新种植，经过28天的体外培养，形成可规律性搏动的心脏，并能部分重塑成体心脏的功能。如前所述，肝脏由于具有复杂的结构、脉管系统和功能，非常难于重建。美国麻省总医院的医生们将大鼠的肝脏进行脱细胞化，保持了肝脏特异性肝小叶单元的结构和复杂的血供系统。随后在脱细胞化基质上重新种植肝脏细胞，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脏和天然肝脏在外形上非常接近。这些在动物身上实现的器官再造，正在进一步扩大化和规模化，但最终实现人类器官的重建的确还需要很长的一段路要走。

器官3D打印

(A) 3D打印带有电子装置的人造耳;(B) 该人造耳有软骨细胞作为生物部分，硅胶作为结构部分，银纳米颗粒作为电子元件部分，通过3D打印机构建(图片根据参考资料[3]修改)

如果说脱细胞化还需借用天然组织和器官当作模板，那么生物3D打印技术则充分发挥了组织工程技术的威力，从零开始，“按照患者需求”，构建个性化的人造组织。其实基于纯材料的3D打印和快速成型技术可以追溯到上个世纪，可根据设计构建各类由高分子聚合物、金属等单纯材料构成的三维结构。近年来，以打印具有生物活性组织和器官为目标的生物打印是组织工程的新兴领域，有望定制化的构建各类组织和器官。组织工程师们已经在体外成功打印了具有不同复杂程度的组织结构，包括含有皮肤和软骨细胞的片层组织;中空的类血管、心阀和气管等组织结构;以及包括肾在内的实体组织结构。

3D打印首先需要对所构建的定制化组织和结构进行成像(如X光-CT和核磁等)，以获取组织结构特征，并选择合适的生物材料和细胞。随后就要选用合适的打印方法(如喷墨法、挤出法和激光辅助法)进行打印成型。最后通过体外培养促进打印组织的成熟，进行下游的多方面应用。作为生物打印领域的领头羊，要数位于美国圣地亚哥的Organovo公司。该公司以含有几百个细胞的微组织作为生物墨水，通过特殊的3D 打印机完成了血管、片层肝脏等特殊组织结构的构建，在体外培养过程中通过微组织之间的融合作用形成致密的组织。目前3D器官打印仅初步重建了相应器官的宏观结构、细胞分布和基本功能，离完整重现其生理结构和功能还有很远的距离。

3D 生物打印的最新趋势是将生物和电子设备集成打印，形成半生物半机械的“杂合体”，如同电影中的钢铁侠一般重现人类组织器官功能。其中一个有趣的例子，就是普林斯顿大学的生物医学工程师们打印出的载有电子装置的人造耳。和传统组织工程方法不同，此人造耳由生物、结构和电子三部分成分同时打印而成。其中生物部分由软骨细胞构成，结构部分由硅胶构成，而电子器件部分由银纳米颗粒打印而成，最终经过多组分打印形成多功能的“半机械”人造耳。随后，通过体外10周的培养使软骨组织成熟，并通过其中的电子装置来实现声波的感知。我们可以大胆的预测，未来这种半机械组织或者器官，有望实现对人体各类天然组织的辅助支持、替代甚至是超越--钢铁侠的“特异功能”要变为现实也不是没有可能。

让猪儿们为人类捐助器官