再生医学新突破 美科学家首次成功移植组织工程膀胱
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在4月15日的Lancet[2006, 367(9518): 1241]上,Wake Forest大学医学院再生医学研究所Atala领导的美国科学家小组报告了第一项关于组织工程膀胱人类临床试验结果:7例伴发膀胱功能异常的脊髓脊膜膨出患者在植入自体细胞来源的组织工程膀胱后,经过最长超过5年、最短也近2年的随访,膀胱功能仍获得持续改善。
近一个世纪以来,泌尿学家们一直致力于寻找最理想的膀胱替代品。但是,膀胱组织独特的弹性以及移行上皮独特的通透性使其不容易找到合适的替代品。也正因为如此,迄今为止,肠段仍是膀胱成形术中最常规使用的代膀胱组织。显然,用消化器官来替代泌尿器官,其后果是必将增加一系列并发症如代谢紊乱、泌尿系感染、尿石症、黏液分泌增加甚至恶性肿瘤的发生危险,但苦于没有其他更好的替代品,因此肠代膀胱术依然是目前解决该问题的金标准。
幸运的是,再生医学的发展使组织和器官的再造由科学幻想一步一步地迈向临床现实。过去,再生医学的研究对象只限于一些比较单一的组织如皮肤和骨。现在,Atala等成功再造了有着三层结构的组织工程膀胱。展望未来,Atala更是踌躇满志:“总有一天,组织工程器官会成为供者器官短缺问题的一个解决方法。”
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量身定制自体组织工程膀胱
首批接受组织工程膀胱植入的7例患者中男性3例,女性4例,平均年龄11岁(4~19岁),均因脊髓脊膜膨出而导致膀胱内压力增高和膀胱顺应性差。他们虽然都已经接受了最大程度的药物干预治疗,但尿漏频率仍高达每30分钟一次,需要频繁导尿。毫无疑问,这些患者都有接受膀胱成形术的指征。
第一步,研究人员在这些患者的耻骨弓上作一小切口,从膀胱顶切取一块面积为1~2 cm2的膀胱组织,从中分离出移行上皮细胞和平滑肌细胞并在体外进行培养和扩增。
如何制作膀胱形状的支架(scaffold)是膀胱再生技术的另一个关键所在。Atala等用到了两种不同组分的支架。第一种支架由患者膀胱黏膜下层来源的胶原基质制成。这种支架在前4例患者中使用。第二种支架的组分除了胶原基质外,还加入了聚乙醇酸(PGA)。后3例患者应用了这种支架。支架总厚度约为2 mm。
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第三步,研究人员将培养好的平滑肌细胞和移行上皮细胞相继以50×106/cm3的密度种植到支架的外表面和内表面,继续进行培养。这时,组织工程膀胱的制备已经完成。
第四步,在约距膀胱活检7~8周后,患者接受组织工程膀胱植入手术。术中,研究人员将新膀胱与患者的原有膀胱残基用可吸收线进行连续缝合。前3例应用胶原支架的患者未用网膜包裹植入膀胱,最后1例应用胶原支架者和3例应用复合材料支架者都用网膜完全包裹住了植入膀胱。(图1、2)
与肠代膀胱相比有过之而无不及
Atala等早在1999年就为1例患者量身定制了组织工程膀胱并植入其体内,但是为了确保该技术的有效性,他们又做了其他几例手术,直至对最后1例患者的随访时间也接近2年时,才公布结果。
这7例患者被随访了22~61个月(平均为46个月),在手术前后和随访期间都连续接受尿动力学、膀胱X线片、超声、膀胱活检和血清学等检查。
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结果显示,自体组织工程膀胱移植对于膀胱功能的改善与传统的肠代膀胱相似,但却避免了肠代膀胱术相关并发症的发生危险。术后,患者的肠道功能很快恢复,无需长期留置鼻胃引流管,大多数患者在术后24小时内即开始进食。术后仅1例患者发生了泌尿系真菌感染,此外未观察到其他手术并发症,既未发生代谢紊乱,也未检出肾及膀胱结石,黏液分泌量正常,肾功能在手术前后维持稳定。
与原有膀胱无法区分
在Atala等的研究中,组织工程膀胱被缝到了原有膀胱的残基上。术后膀胱活检显示,无论从结构上还是从表型上,新膀胱都无法与原有膀胱区分,尤其是有网膜包裹的复合材料重组膀胱。全层活检显示,组织工程膀胱由移行上皮、黏膜下层和肌肉等三层结构组成,免疫组化染色进一步证实肌肉和移行上皮表型正常(图3)。
“二易方案”带来更多尿动力学益处
在整个研究过程中,Atala等曾经“二易方案”,即改变支架组分和改变术式(加用腹网包裹植入膀胱),而最后的结果也证明,“二易方案”给患者带来了更多的尿动力学益处。
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患者术前的平均膀胱漏尿点压为54 cmH2O(38~82 cmH2O)。术后,无网膜包裹的胶原重组膀胱组3例患者(组1)的平均漏尿点压下降了12%,有网膜包裹的胶原重组膀胱组1例患者(组2)的漏尿点压下降了29%,而有网膜包裹的复合材料重组膀胱组3例患者(组3)的漏尿点压平均下降了56%。
患者术前的平均最大膀胱容量为207 ml。术后,组1的平均最大膀胱容量下降了30%,而组2和组3则分别增加了22%和58%。
术后,组1、组2和组3的平均膀胱顺应性分别增加了15%、67%和1.79倍。
术前,患者即使使用清洁间歇导尿,也频繁发生尿漏。术后,组1、组2和组3的最大平均日间无尿漏间隔分别达到了1.5~3.5 h、2.5~4.0 h和3.0~7.0 h。
里程碑式的研究
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供者器官短缺和排斥问题一直是困扰器官移植领域的两大难题。Atala等的研究表明,再生医学已经发展到了器官阶段。这无疑为上述难题的解决带来了曙光。也正是如此,Atala等的研究被美国伊利诺伊高级泌尿研究所的Chung誉为“具有里程碑意义”。但是,Chung也指出,还需要多中心、随访时间更长的研究来验证该技术,而在此之前,肠代膀胱术仍是膀胱成形术的“金标准”。Atala等宣布,将于今年年底开展一项更大规模的临床试验,并将于2007年开始一项纳入成人患者的临床试验。
Atala深信,再生膀胱技术为未来其他器官的再生提供了一个非常有用的范例。Atala早在1990年就创建了该技术。在应用于人类之前,他在动物身上进行了十余年的研究,包括狗(狗的泌尿系统与人类最为接近)。现在,他与Wake Forest的80余名研究者正在应用同样的技术进行20余种组织和器官的再生研究,包括肾脏、血管、心脏、肝脏、胰腺和神经等。
当然,这样的研究绝不会一蹴而就,研究过程中将面临无法预料的挑战。相对于心脏、肾脏和肝脏等其他器官而言,膀胱无论从结构还是功能上来说,都还算是比较简单的器官。即使是膀胱,Atala等在研究中也只是将再生膀胱与原有膀胱缝合在一起,而不是整个膀胱的移植。后者需要面临更多困难,例如输尿管、尿道、血供和神经的再接合问题等,这些都需要在动物实验中进行更多研究才能应用于人类。, 百拇医药