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人体“零件”坏了能换吗
http://www.100md.com 2005年10月20日 《当代健康报》 2005.10.20
     重庆大学生物工程学院副院长 教授 博士生导师 王远亮

    真正的人体健康是涉及社会、心理、机体功能的正常状态。有些天灾人祸及不可逆转的恶性机体损伤会造成人体“零件”的缺失。缺失的人体部件可否像机械零件那样更换?答案是肯定的。

    但就目前的科技发展水平,完美地制造出人体“零件”还有很多无法解决的难题。

    有多少人体“零件”需要换

    首先大家考虑一个问题,人类最怕听到的三种声音是哪三种。下面我所给出的答案都与人类更换人体“零件”的理想密切相关。

    我想,第一种人类最怕听到的声音是“哎呀”老了。什么意思呢?就是人到了一定年龄,生理器官逐渐衰老。怎么办?把衰老的“零件”换掉。现在人类很大程度上已经进入老龄化阶段。我国有一个统计,2010年,60岁以上的人将超过24%。我国人口基数是13亿,这样算下来是多大的一个数啊。这意味着有多少“零件”需要换呀。
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    第二个声音人类最怕听到的是“砰”。“砰”可能意味着哎呀,糟了,撞车了;可能意味着战场上“砰”一枪打过去,不是打断了人的腿就是穿过人的胸。这些组织损伤创伤目前正逐年上升,从我国的统计数字上看,已经达到了临床住院数的第二位。这又意味着有无数的“零件”需要换。

    第三个声音就是“咔嚓”。什么意思呢?人生病了到医院去,组织器官坏了,医生拿一个剪刀就给你剪掉了。这个数目也是很大的。单说心血管疾病,一个院士告诉我,单我国就有1.5亿人。1.5亿啊,这仅仅只是心血管疾病造成的组织器官损害。这些坏掉的器官,怎么办?我们说换掉。怎么换,拿什么去换?这就是我们今天讨论的问题。

    如何制造人体“零件"

    人体零件制造目前比较流行的办法有四种。第一种假体。比如说腿掉了,装一个假体上去。这种办法属于性能替代。然而,光这样的性能替代,满足不了人体功能的需求,不是我们追求的目标,那该怎么办呢?科学家就想了其他的三种办法。第一,我们可不可以把动物的器官和组织搬到人身上来呢?可以的。第二,我们可不可以用现在最流行的一种技术,克隆?第三,我们想用组织工程的办法制造一些零件出来,行不行?
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    “把动物器官和组织搬到人身上”这种“零件”制造方法,叫做异种移植,目前已经形成了替代医学,一个非常强劲的研究趋势。异种移植从17世纪就开始了。1682年,俄国一个大贵族遇到车祸,颅盖骨揭掉了。一个医生给他想了个办法,把狗的颅盖骨装到他的脑壳上去,据说手术很成功。可惜的是,当时的教会不允许,让赶快把那块东西拿下来,最终丢掉了这位贵族的生命。从这以后,人们开始了很多的探索,应用了蛙皮,狒狒的心脏,猴子的心脏,猴子的肝脏,青蛙腿的肌肉等很多类似的移植方式。但是异种移植这种移植方式,给人类带来了一个很难逾越的障碍,叫做排斥效应。这种排斥效应目前来讲,还没有很好的办法解决。我国曾经立了一个很大的项目。猪跟人相近的关系最亲密,于是项目研究能不能把猪的脏器组织搬到人身上来用,但目前还是没有找到抑制排斥反应的有效手段。

    “克隆”,大概是多利绵羊问世以后,在全世界引起轰动和震惊的事情。但是克隆并不是神秘的事情。什么叫“克隆”呢,“克隆”就是一个功能单元的再现。多利绵羊是怎么做的呢?拿一个绵羊A,把它的乳腺细胞的细胞核抽出来,再找一个绵羊B,把它的卵子细胞核给抽掉,然后把绵羊A的核细胞注入到绵羊B的卵细胞里边,构成一个信息载体,这个信息载体再植入绵羊C体内,让它妊娠发育。
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    多利绵羊时的“克隆”是全个体的“克隆”。现代的技术已经进展到,克隆一个个体是没有问题的。很多国家已经把人体的胚胎克隆好了,放在那儿,可以把一个人造出来了。造人是不是一种道德的行为需要讨论。而克隆发展至今,出现了治疗性克隆。就是说,只管克隆组织和器官这一部分,不做整个个体。

    我们从组织和器官的角度去看待“克隆”,制造出一个胚细胞,然后按生物学发育方式,有效地造出一个我们需要的人体组织“零件”。目前来讲,科学已经进入到可以制造55种零件的地步。但是否进入临床,还有待于相关的技术及伦理学讨论。

    治疗性克隆在我们医学发展来说,是一大幸事,是克隆技术发展的一种进步。克隆比异种移植进步多了。因为克隆可以是自体细胞克隆,避免了致命的异种排斥效应。但这种方式,还需要很多关键技术,目前只能够造一些相关的零件和技术。真正植入人体,变成人体的一部分还有一定的难度,还需有待时日。

    在人体“零件”制造方面,目前最热门的科学叫组织工程,这是零件制造的第四种方法。组织工程是从20世纪50年代开始的,真正发展是在20世纪70年代。1977年,美国把两大派的科学家召集在一起,开了一个会。一派科学家,是做假体的人,或者说是做整体器官的科学家。另一部分人,就是搞生物技术的一帮人,是从基因分子水平上研究人体的科学家。这两拨人坐到一起,分析认为我们中间还有一条路没走出来,那就是从分子水平怎么构成一个组织,构成一个器官呢。如果这件事情做成了,就可以直接应用在人身上。我们给它取一个名字就叫“组织工程”。所谓“组织工程”,就是利用生命科学和工程科学的原理和方法,在了解人体的生理病理机制之后,再有目的地去制造一些我们所需要的人体部件。用组织工程的方法制造人体部件需要三大组成部分,组织细胞,三维支架和培养系统。
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    制造“零件”的细胞哪里来

    人体“零件”最必要的组成部分是组织细胞。人体进化发展到今天,异种移植和超急性排斥反应最主要的原因就是由于细胞的一些表达蛋白质分子的差异。如果我们能够找到一种细胞,它跟人体能够完全相融,那么制造出的“零件”移植到人体身上,就不会造成那种超急性排斥反应,或者免疫排斥反应。这种细胞的来源多不多呢?现在的答案有四个。

    第一种就是你自己的细胞。一个人生病了,我可以从人体里取出一个细胞来,让它再扩张,一个细胞就够用了。但是目前面临的问题是人体自身的细胞一旦分化到一个中间状态以后,活力就非常有限了。想解决这个问题,科学家考虑借用克隆的手段,人体自身取得的这种细胞活力可否借用“克隆”让它激活,再回到原始的活跃状态,重新进行一次胚胎发育过程。

    第二种就是基质干细胞。我们可以从你缺损的那个“零件”当中,取一个干细胞出来,或者取若干干细胞出来。什么叫干细胞呢?干,“树干”的干(gàn),不念干(gān)。干细胞的最大特点,就在于它是多功能的,全息性的。只要在适当的条件下,干细胞就可以分化成为你的定向组织,这是目前研究的一个热点问题。人体有两种干细胞,一种叫基质干细胞,就是你原位组织部位取出来的干细胞。
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    另一种干细胞是组织胚胎中或骨髓里分离出来的胚胎干细胞。这是第三种来源。胚胎干细胞是组成一个胚的“源泉”,这跟前面讲的“克隆”有些类似,它组成了可以发育成为一个生命的个体。也可以有道定向分化为一种组织,或者是一种器官。干细胞是自身的,因此不会产生排异反应。但是,有效的有道定向分化是目前亟需要解决的一个难题。

    第四种细胞,我们称之为不死细胞,永生细胞,这是永远存在的一种细胞。我们要制造一个细胞株出来,这个细胞株可以成批成批地生产,永远地用下去,细胞的特征不会随着环境变化而变化。我们做老鼠身上的永生细胞的时候就很艰难,培养一个老鼠,基因不突变,不随环境而改变的这种老鼠,要遗传20代以上,才可以算得上稳定。

    有人说猪的细胞跟人类更接近,那么我们要做成这种基因不突变的猪出来,也要20代以上。我国在这方面已经非常成功了。云南的小耳猪已经做到了16代,这是生长在云南西双版纳的一个非常偏远的地区的猪。一个老科学家到了那里,发现这个村子非常封闭,跟外界几乎没有什么交流。所以他考虑到这个地方的动物不会受到很多外源基因的干扰,基因相对稳定,他就把那儿的猪背回来,一养16代。16代就是16年的酸甜苦辣。
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    永生细胞一旦做出来,可以不随环境而变化。如果成功就可以当作人体“零件”好的细胞来源。你需要制造皮肤,那么它就是皮肤细胞;如果你需要制造肝,那么它就是肝细胞。这种不死细胞是我们组织工程当中细胞来源的一个梦想,仍然还有很多艰苦的工作需要做。

    人体“零件”是三维的怎么办

    制造人体“零件”的第二个问题是关于三维支架。我们知道人体组织不是平面的,而是三维的,三维就要有三维结构。制造组织的三维结构要选择恰当的材料,这种材料要适合人体自身生物性的相应需求。制造三维结构目前也是一个难题。首先是要选择能使细胞成活的材料。这种材料我们可以从天然材料当中来,比如说,甲壳素、可聚糖。可以从动物皮里面提取出胶源来……天然材料最大的优势在于它是自然界自身存在的,所以生物纤维性比较好。但是,它的强度是不够的。它还有一个缺点,其来源随着外界环境的变化而变化,不是完全恒定的。

    所以科学家想到采用合成的办法,做成一种材料。无论是天然材料还是合成材料,这种材料都需要在人体内一步一步地降解,最后代谢成为二氧化碳和水,换一句话说,它最终在体内绝不能残存。也就是说,材料进入人体后要逐渐分解消失,所以对材料的要求很高。
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    支架当中最难解决的一个问题,就是三维构造的模式。你怎么样把它加工出来,而且能够放到个体内,并且跟人体自身能够很好地相容。目前还没有一个完整的技术能够很好地达到这个要求,流行的办法就是像打印机那样一层一层地往上叠。第二种模式,就是把你选择的材料熔解以后,用一个喷枪嘴打出来,一层一层往上叠。另外一种就是快速原位造型的加工方式。这种快速原位成型的机件制造已经是很成熟的办法,但是要把它搬过来在人体上用,难度就大了。

    我们首先获得一个立体信息,拍一个X照,看看骨头的形状,把那个形状拿过来,加工成跟骨头一模一样的东西,这个国外也能做到,我们国内也能做到。第四军医大曾经加工出来头盖骨,形状上非常相似。但是这种头盖骨放到体内以后并没有原先人体自身头盖骨的功能。所以,我们必须想办法让我们造出来那个组织,跟我们人体原来的组织至少是比较接近的,换上去以后功能是可以恢复的。原位制造是用激光烧接成你所选择的材料,可以做成粉末,把粉末铺上去,结点连起来,它就成了一个面,一个面一个面地往上叠加,最后就叠加成了人的一个“骨头”。最后这个“骨头”把细胞一培养,就装在人体上去了。
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    “零件”长在什么环境中

    第三个问题,就是组织工程当中目前最难解决的一个问题,培养系统。在一个实验中,科学家需要培养皮肤的角质细胞,只有在羊水这个培养系统中,它才长出了表皮。人体的各种组织都需要体液这个培养生长系统,但目前人类还没有完全掌握清楚,细胞去扩充放大,培养成人体需要的组织“零件”,应该提供什么样的培养系统呢?这是一方面的难题。

    另一方面我们需要构造一个组织反应器。也就是说,我们培养人体组织的时候,你要给它一个力,或者一个刺激,来促进它的生长。那么哪种刺激最适合人体“零件”的生长呢?这是个问题。因为这个细胞给一个力加载,它有一定效果。而给它一个电的刺激,它有一定的效果。如果同时将锂和电放在一起,它的效果更强。不同的组织细胞受到的锂量和电的刺激量是不同的。所以生物反应器是一个非常大的难题,要根据不同的组织和不同的需求,不同的培养液系统和不同的加载和刺激要求,构成一个完整的体系。

, http://www.100md.com     目前,这种组织反应器的形式已经发展成为现代医学上的一种治疗方式。比如,在第四军医大学,一个人的两个腿不一样长,怎么办?把短的那条腿拉长一截,怎么拉法呢。就可以利用这种组织反应器的方法,先把那条短的腿锯很短的一截,然后多留出大约1毫米空间,给骨细胞一个电和锂的刺激,它就慢慢地把多出来的那1毫米左右的空间就给长满了。如果长度还不够,就再锯一次,再增加一截,一直增加到两条腿一样长了。

    当然,完成上述所有的条件,我们就可以完完全全从体外培养成一个完整的组织器官,再装到人体里面去。这是一个最高要求,最高目标,目前还做不到。

    但是,现在有一个非常好的捷径。我们可以把三维支架做出来,把“零件”需要的组织细胞接种在这个三位维支架上,放在组织反应器里,将细胞培养扩大增长到一定的数目,就直接装到体内去。让它在体内再去生长,同时三维支架材料在体内降解,直到细胞在体内成活,构成人体的“零件”。

    总括起来,我们所讲到这几种方法,不论是异种移植,克隆还是组织工程,都有优势,但是,都面临着没有解决的问题。这个不要紧,将来总会在科学家们的努力下变成现实,让人类能按照自己心意制造人体器官。将来某一天,可能这样的商店到处都是。一旦有什么“哎”“砰”“咔嚓”都不要紧了,我们的生命将会充满阳光。

    作者简介

    王远亮,男,现任重庆大学生物工程学院副院长,教授,博士生导师。中国生物材料委员会委员,中国生物复合材料学会理事,重庆高分子材料学会理事长,重庆生物材料及人工器官委员会主任。长期从事生物材料及组织工程、生物医学工程领域的生物材料与组织工程方面的研究。, 百拇医药