未來(lái)某一天，新興的再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可能會(huì)給心臟病和神經(jīng)退行性疾病的治療帶來(lái)革命性變化，解決器官捐獻(xiàn)供體不足問(wèn)題，完全恢復(fù)受損的肌肉、肌腱和其他組織。
研究人員發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵在于給身體提供一類由多種蛋白質(zhì)、纖維或細(xì)胞組成的啟動(dòng)元件，或者克隆已在成年患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的半特化的干細(xì)胞，從而使機(jī)體替換掉損傷的細(xì)胞。
人工干預(yù)可以使機(jī)體再生這些組織，在通常情況下，這是無(wú)法單獨(dú)依靠機(jī)體自身來(lái)完成的。這種使機(jī)體自我修復(fù)的治療方法，已經(jīng)使一些患者生病的心臟開(kāi)始恢復(fù)活力，并幫助外科醫(yī)生治療肌肉損傷。
干細(xì)胞治療心臟病
干細(xì)胞技術(shù)可能會(huì)徹底改變心臟病的治療方式
2009年初，邁克·瓊斯（Mike Jones）在美國(guó)路易斯維爾市的一家便利店里買了一份報(bào)紙，讀到一則新聞：當(dāng)?shù)匾幻t(yī)生通過(guò)收集病人的自體干細(xì)胞，然后讓其增殖來(lái)治療心臟病。這樣一種前所未有的治療方法，借助了這些未成熟細(xì)胞的再生能力。瓊斯當(dāng)時(shí)65歲，患有充血性心力衰竭（congestive heart failure），他的心臟一直不能有效泵血。他聯(lián)系了新聞報(bào)道中的這位醫(yī)生，路易斯維爾大學(xué)的羅伯托·波利（Roberto Bolli）。2009年7月，瓊斯成為世界上第一位接受自體心臟干細(xì)胞移植療法的病人。
治療前，瓊斯幾乎不能爬樓梯，而如今他可以自如地劈柴，在自己9英畝（約36421平方米）的庭院中清理掉落的樹(shù)枝。他的“心臟射血分?jǐn)?shù)”（ejection fraction，衡量心臟泵血功能的一個(gè)指標(biāo)）已經(jīng)從治療前的20%，提升到接受治療兩年之后的40%——這真是不可思議的改善，盡管目前的數(shù)值仍然低于正常水平（55%—70%）。
從那時(shí)起，已經(jīng)有數(shù)百名心臟病患者接受了類似的治療，醫(yī)生從病人自己的心臟、骨髓或非親屬捐獻(xiàn)者身上提取干細(xì)胞，再回輸?shù)讲∪梭w內(nèi)，這些病人的情況都有所改善。研究者認(rèn)為，這些干細(xì)胞能夠構(gòu)建出新的組織，并刺激其他細(xì)胞分裂。盡管我們?nèi)孕枰芯?，如何才能正確使用這些干細(xì)胞，但毋庸置疑，干細(xì)胞療法是完全可行的。將來(lái)，我們可以收集、培養(yǎng)并凍存我們自己的干細(xì)胞，以備不時(shí)之需?！?/span>
啟動(dòng)心臟泵
過(guò)去40年間，科學(xué)家認(rèn)為人體心臟是一個(gè)強(qiáng)大但容易受傷的動(dòng)力泵。他們推斷，這可能是由于成人心臟不能產(chǎn)生新細(xì)胞，所以任何細(xì)胞的死亡都會(huì)對(duì)心臟造成不可挽回的損害。然而，一位科學(xué)家偶然在顯微鏡下，觀察到成人的心臟細(xì)胞可以分裂，而此后，對(duì)心臟組織樣本所做的碳同位素測(cè)年檢測(cè)也證實(shí)，成人心臟終生都能再生新的細(xì)胞，盡管更新速度比腸和皮膚慢很多。目前，生物學(xué)家估計(jì)，心臟每年可以更新的細(xì)胞數(shù)量，超過(guò)心肌細(xì)胞總數(shù)（40億—50億個(gè)）的1%。同時(shí)，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，這些新細(xì)胞來(lái)自心臟中成體細(xì)胞和干細(xì)胞的復(fù)制。
這些自體干細(xì)胞可以在一定程度上幫助心臟修復(fù)。比如在心臟病發(fā)作后，損傷部位周圍的干細(xì)胞會(huì)分化成新的心臟細(xì)胞，并刺激已有的心臟細(xì)胞分裂。然而，這種自我修復(fù)只能持續(xù)1周—2周，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以替換一次典型的心臟病發(fā)作所損害的十幾億細(xì)胞。因此，心臟病發(fā)作的結(jié)果就是造成大面積的、僵硬的疤痕組織（scar tissue）。就像汽車輪胎在破損處會(huì)膨出一樣，人體心臟也會(huì)在疤痕處膨出，從而導(dǎo)致這個(gè)本來(lái)效率很高的器官變成一個(gè)松垮無(wú)效的血泵。
干細(xì)胞治療是給心臟注入大量的自體修復(fù)細(xì)胞。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，一部分注入的干細(xì)胞會(huì)分化為成體細(xì)胞，但大多數(shù)細(xì)胞會(huì)在幾天內(nèi)死亡。然而在細(xì)胞死亡之前，它們會(huì)分泌多種可以促進(jìn)健康心臟細(xì)胞增殖的蛋白，并且分泌可以降解疤痕組織中膠原蛋白纖維的蛋白酶，從而促進(jìn)心肌組織的再生。
通過(guò)一根接入冠狀動(dòng)脈的導(dǎo)管，16名患者分別輸入了100萬(wàn)心臟干細(xì)胞，另外7名患者接受了標(biāo)準(zhǔn)治療（使用β-受體阻滯藥和利尿劑）。4個(gè)月后，接受干細(xì)胞治療的患者的平均射血分?jǐn)?shù)從最初的30.3%提高到38.5%，但接受標(biāo)準(zhǔn)治療的患者幾乎沒(méi)有改變（從30.1%到30.2%）。接受干細(xì)胞療法一年后，患者疤痕組織的平均重量下降了30%。
邁阿密大學(xué)的約書(shū)亞·黑爾（Joshua Hare）教授想弄清楚，心臟病患者到底可不可以耐受異體骨髓干細(xì)胞的移植，還是說(shuō)會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)。他對(duì)15名患者分別輸入自體骨髓干細(xì)胞，對(duì)另外15名患者則輸入異體骨髓干細(xì)胞。13個(gè)月后，兩組患者都沒(méi)有出現(xiàn)排斥反應(yīng)，并且疤痕組織都減少了三分之一以上。相對(duì)于自體干細(xì)胞而言，老年患者更適宜于接受年輕捐獻(xiàn)者的干細(xì)胞，因?yàn)檫@些年輕的細(xì)胞還沒(méi)有受到多少“磨損”。
“到目前為止，我們還沒(méi)有辦法全部清除心臟病發(fā)作產(chǎn)生的疤痕組織，”黑爾說(shuō)，“減少疤痕組織并代之以新生組織，就是我們現(xiàn)在所追求的目標(biāo)。我覺(jué)得，我們將徹底改變心臟病的治療方式。”
“超級(jí)膠水”療法
利用天然膠黏劑，就可能使肌肉、肌腱甚至器官再生
多年來(lái)，無(wú)論是研究人體還是其他生物體，生物學(xué)家大多將注意力集中于細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)，而忽略了機(jī)體內(nèi)將細(xì)胞整合到一起的“膠水”。當(dāng)研究人員開(kāi)始深入研究細(xì)胞間的這些物質(zhì)，即細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix）時(shí)，他們開(kāi)始意識(shí)到，這是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。長(zhǎng)期被忽略的細(xì)胞外基質(zhì)不僅組成了維持動(dòng)物組織和器官所必需的生物支架，以避免組織和器官溶解成一團(tuán)糊狀，還能釋放信號(hào)分子，幫助機(jī)體進(jìn)行自我修復(fù)。
在這種認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，研究人員目前提出一種新的組織工程療法——讓天然生物支架發(fā)揮修復(fù)能力。這種方法是從豬等動(dòng)物的天然組織中提取細(xì)胞外基質(zhì)，然后將其植入嚴(yán)重內(nèi)傷的病人體內(nèi)。新植入的支架可能釋放信號(hào)分子，吸引半特化的干細(xì)胞從身體其他部位遷移到損傷處，填補(bǔ)缺損，進(jìn)而分化成損傷處原有的特定組織。最終，這些植入的支架將被人體內(nèi)的蛋白和纖維替代，完全清除外源植入的痕跡。
研究人員正在飛速地把這一設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。外科醫(yī)生已開(kāi)始嘗試讓人體再生新的肌腱，他們希望，在不久的將來(lái)可以常規(guī)化地重建大塊肌肉組織，甚至器官。美國(guó)國(guó)防部成立了專家組，對(duì)在戰(zhàn)爭(zhēng)中因爆炸而導(dǎo)致胸部、手臂或腿部嚴(yán)重受傷的士兵進(jìn)行治療。在這類研究中，美國(guó)國(guó)防部已投入了數(shù)千萬(wàn)美元。
疤痕與再生
美國(guó)匹茲堡大學(xué)麥格溫再生醫(yī)學(xué)研究所副所長(zhǎng)斯蒂芬·巴迪拉克（Stephen Badylak）為推進(jìn)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)，在這一點(diǎn)上，其他研究人員很少有人能與之比肩。巴迪拉克獲得醫(yī)學(xué)學(xué)士學(xué)位后，首先進(jìn)入獸醫(yī)行業(yè)開(kāi)始職業(yè)生涯，后來(lái)又獲得了病理學(xué)博士學(xué)位。
巴迪拉克相信，總有一天可以證明細(xì)胞外基質(zhì)移植對(duì)于治療爆炸中的幸存者非常有益。他指出，哺乳動(dòng)物的身體對(duì)受傷作出反應(yīng)的方式很有限。對(duì)于小傷口，比如被紙張劃破的傷口，在炎癥細(xì)胞局部聚集、對(duì)抗感染并清除損傷組織后就會(huì)消失，很快就會(huì)被正常皮膚完全替代（不會(huì)產(chǎn)生疤痕）。而另一方面，遭遇路邊炸彈襲擊而幸存下來(lái)的士兵，其體內(nèi)某個(gè)特定肌肉群可能會(huì)損失20%—80%的肌肉組織。研究人員認(rèn)為，在這樣嚴(yán)重受傷的情況下，身體再生組織，進(jìn)行自我修復(fù)的能力已經(jīng)不足以完全修復(fù)損傷，未修復(fù)處就會(huì)被密集的疤痕組織填滿。疤痕組織雖然能與周圍的存留組織相連接，但會(huì)導(dǎo)致組織功能喪失。在這種情況下，最佳選擇可能是截肢，并安裝假肢，以便使傷者獲得更大的運(yùn)動(dòng)能力。
巴迪拉克和同事利用細(xì)胞外基質(zhì)移植療法，治療了80名肌肉重度損傷超過(guò)6個(gè)月的病人。經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度的物理治療，確保機(jī)體已經(jīng)最大程度地替換掉受傷肌肉組織后，外科醫(yī)生重新切開(kāi)傷口，取出已形成的疤痕組織，放入生物支架，并將其連接在周圍的健康組織上。
前期治療結(jié)果十分令人鼓舞.經(jīng)過(guò)細(xì)胞外基質(zhì)移植的治療后，研究人員對(duì)病人的肌肉進(jìn)行活組織檢查（Biopsies）時(shí)，觀察到的結(jié)果與在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中所看到的生化變化完全一樣。如果所有后續(xù)結(jié)果都反應(yīng)良好，巴迪拉克希望在今年晚些時(shí)候公布最初5名患者的治療結(jié)果。
打印器官的內(nèi)部血管
要構(gòu)建能正常工作的大型器官，研究人員需要找到一種在支架內(nèi)部形成血管網(wǎng)絡(luò)的方法.
TED大會(huì)上介紹的先進(jìn)科技總能讓觀眾驚嘆。然而即使是按照TED的標(biāo)準(zhǔn)，2011年由威克弗里斯特再生醫(yī)學(xué)研究所的安東尼·阿達(dá)拉（Anthony Atala）發(fā)表的演講仍然令人震驚。阿達(dá)拉站在臺(tái)上演講時(shí)，身后一臺(tái)機(jī)器內(nèi)部的電機(jī)——畫面顯示，電機(jī)正在反復(fù)“編織”，將實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的活細(xì)胞一層層地堆積在一個(gè)中央平臺(tái)上，電機(jī)的所有動(dòng)作都基于一個(gè)高度精確的三維數(shù)字圖案。這個(gè)過(guò)程稱為三維打印，它的工作原理類似于噴墨打印機(jī)，只不過(guò)噴墨打印機(jī)使用油墨，而這臺(tái)三維打印機(jī)使用了活細(xì)胞溶液。通過(guò)將人體細(xì)胞一層層地堆積起來(lái)，阿達(dá)拉的這臺(tái)機(jī)器最終“打印”出了一個(gè)真實(shí)大小的腎臟。這個(gè)過(guò)程就像人們利用個(gè)人的三維打印機(jī)制造出咖啡機(jī)的塑料零件一樣簡(jiǎn)單。
直接而快速地制造器官的技術(shù)將非常受歡迎，僅在美國(guó)，就有105000多人等待著器官捐贈(zèng)。
令人振奮的突破
賓夕法尼亞大學(xué)的博士后研究員喬丹·米勒（Jordan Miller）是這個(gè)項(xiàng)目組的主要研究者之一，米勒和同事對(duì)一款叫做RepRap的開(kāi)源三維打印機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，使它能夠?qū)⒁环N以特殊比例混合的糖打印成直徑在1毫米到100微米之間的各種細(xì)絲。
該團(tuán)隊(duì)利用這些細(xì)絲構(gòu)建了理想的血管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，生成一個(gè)由糖構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，并用一種生物相容性良好的聚合物覆蓋這一框架結(jié)構(gòu)，防止糖過(guò)快溶解。接著，他們用細(xì)胞外基質(zhì)和血管內(nèi)皮細(xì)胞（endothelial cells）的混合物，包裹住整個(gè)結(jié)構(gòu)。最后，用水沖洗掉糖分，留下的就是由活細(xì)胞構(gòu)成的牢固血管。
接下來(lái)就該這些細(xì)胞發(fā)揮作用了。與在人體內(nèi)的行為一樣，它們重新構(gòu)建血管，使整個(gè)結(jié)構(gòu)富有強(qiáng)度，甚至在稍大的血管末端，還能形成小的毛細(xì)血管。正如賓夕法尼亞大學(xué)組織微加工實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人克里斯托弗·陳（Christopher Chen）所說(shuō)，“我們不必設(shè)計(jì)好完美的架構(gòu)”，我們只需要讓細(xì)胞自己去填充細(xì)節(jié)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，人體能夠很好地接管一個(gè)接近完整的器官，并逐漸完善其功能。
參考資料（部分略）
[1].Anthony Mathur,et al. The consensus of the Task Force of the European Society of Cardiology concerning the clinical investigation of the use of autologous adult stem cells for the treatment of acute myocardial infarction and heart failure: update 2016. Eur Heart J. 2017 Feb 15.
[2].Intracoronary cardiosphere-derived cells for heart regeneration after myocardial infarction (CADUCEUS): a prospective, randomised phase 1 trial
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