人体器官商店

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十年后的某一天，一位老人被告之他的心脏正在急速衰竭，需要更换左心室。主治医师将他健康的心脏细胞组织切片送到一家组织实验室，即人造器官工厂。研究人员利用组织切片和特殊聚合物制造出代用的左心室。三个月后，代用左心室被冷冻、包装并送往医院。医生将代用品换到老人的心脏内。由于代用品相当于老人自己的器官，手术之后自然不会发生任何排斥反应，老人的生命因此而得到延续。

器官短缺

在日常的医疗实践中，常会遇到因疾病和意外事故引发的组织和器官受损或衰竭，此时就需要进行器官、组织的移植或修复。虽然目前器官移植手术已日臻成熟，但由于天然器官的来源极其有限，因此难以做到及时供应。1999年仅美国就有72，000名患者等待器官移植，其中有6，100人在漫长的等待中撒手人寰。此外，异体器官的排斥反应更使手术的成功率大大降低。人造器官虽已被采用，但由于外形、材料等原因，目前多数还只能供病人在体外使用，而且价格也十分昂贵，非常人所能负担。所以，利用组织工程培育出人人体的各种组织和器官，目前已成为许多国家的重点研究课题。

目前，许多商业及学术研究组织正在利用从胚胎或病人身体上取下的细胞组织，辅以特殊的生物材料，培养活体组织或器官。目前商业领域的大多数工作集中于培养组织、瓣膜及器官的其他组成部分。目前市场上已经出现了利用组织工程制成的人体器官：皮肤、骨骸、软骨等。虽然这些离制造完整的器官还有很长一段路，但毕竟证明了人造器官概念的可行性。

人造血管

对于制造整体器官来说，组织工程所面临的最大问题是：绝大多数器官需要自己的脉管系统，也就是血管网，来获取所需养料并实现器官应有的功能。因此，研究人员在制造完整器官之前必须解决如何制造血管这一难题。

两年前，美国麻省理工学院的生物医药专家Robert Langer和LauraNiklason用少量从家猪体内提取的细胞制成了一条完整的血管，这是此领域内的一项重大突破。Niklason 从一头6个月大的家猪身上提取少量颈动脉组织切片；然后，将平滑的动脉细胞从切片中分离出来并用这些血管细胞覆盖在用可降解聚合物制成的管状框架之外；之后，Niklason 将每条新制的血管放在各自的培养皿中，这些培养皿称作生物反应器。在反应器上安装一个

微型泵并把它与新制成的人造血管相连。微型泵可以像人的心脏一样有规律地跳动。微型泵的脉冲作用可使动脉细胞向管状框架内移动，从而将聚合体细微部分包裹起来，这会使人造血管更加结实。在这种脉冲环境中培养几个星期后，血管内壁便生长出内壁细胞——许多器官组织内部细长而扁平的细胞，再继续培养若干天后就可以得到一条完整的血管。

人工合成的血管可以像真的血管一样工作。研究人员将这种人造血管移植到家猪大腿主动脉上，在几周内该血管一直保持开放并且未发生血液凝结。新的动脉血管对心脏血管替代手术来说可谓天赐之物。但要建造更为复杂的器官需要最细的血管——毛细血管。这意味着组织工程要达到微米级，这对当今普通的制造技术来说是一大难题。研究人员计划使用芯片制造中使用的光刻技术来建造毛细血管。德雷珀实验室微型制造系统的物理学家JeffBorenstein发现最细的毛细血管直径大约为10微米，而他日常所接触的是大小只有线宽1微米的芯片。他认为凭着现有的技术完全有可能制成人造毛细血管。研究小组在手掌大小的硅片上蚀刻出毛细血管状相互交织的网状结构。在起初的实验中他们在硅片表面覆盖上从老鼠身上提取的内皮细胞，内皮细胞会沿着蚀刻出的网状结构生长，最终可以形成能传送液体的毛细血管。

在随后的工作中，研究人员用蚀刻好的硅片作为模板来浇铸可降解聚合物。从模板上取出浇铸好的聚合物然后进行分层组装，就可以形成全3D毛细血管框架。在管状框架上覆盖内皮细胞就可以形成毛细血管。不过仅仅浇铸一次还不可能满足人造器官的需要。制造人造肝脏所需的毛细血管需要用1/4个足球场大小的模板，而我们目前的技术根本不可能制出直径30米的硅片。所以研究人员希望通过将数千层毛细血管网与肝脏细胞相连实现人造肝脏基本结构。

人造膀胱和人造心脏

尽管目前的技术还不能制成有复杂血管的器官，但是已经有一种用组织工程制成的器官开始为人类服务，这就是人造膀胱。波土顿儿童医院泌尿科医师AnthonyAtala从1990年左右开始设计人造膀胱。在20世纪90年代后期，Atala为6只小猎犬制作了膀胱。研究人员从狗的膀胱上取下1平方厘米的组织切片，然后将内层细胞和肌肉细胞分离后分别进行培养。一个月后，Atala的研究小组培养的两种细胞总数都达到3亿个，已经可以构建人造膀肮了。研究人员用肌肉细胞覆盖膀胱形状的聚合物框架，用内层细胞覆盖框架内部。之后，研究人员用人造膀肮替代小狗原有的膀胱，他们发现不仅周围组织的血管长入人造膀胱且发育良好，而且功能与健康小狗并无多少差别。

上述实验大大坚定了研究人员的信心，他们决定从2000年开始研究人类膀肮，不过这个过程将是漫长的。研究人员用了20年左右的时间证明人造皮肤的适用性；膝盖软骨用了近四、五年才投入临床使用。Atala的实验室已经制成有排尿功能的膀胱形状小型单元。不过，膀肮是由20种不同类型的细胞组成的复杂系统，研究人员仍需克服许多技术难题才能为众多需要移植膀胱的患者解除痛苦。

用组织工程构建人造心脏更是一件艰巨的任务，但有许多理由让我们相信用不了多久就可以取得重大突破。因为，心脏的组成细胞只有10种。而且更重要的是有许多研究机构一直在进行此领域的研究。虽然目前制造组织工程心脏的工作量十分巨大，但如果将此工作细分为提取心肌细胞、制造承载这些细胞的框架等部分的话，在众多研究人员的共同奋斗下还是有可能取得成功的。在美国国家卫生研究所(NIH)1，000万美元的资助下和40多名研究人员的共同努力下，华盛顿大学的研究项目正由开始阶段向成果阶段迈进。首先，他们计划用组织工程手段为受损心脏制出修补组织；然后，制出可用于移植手术的左心室。不过，要用组织工程制出功能完善的心脏决非某个组织一朝一夕所能实现的，这需要所有研究人员和其他各方的共同努力。

生产人造器官的工厂

人造器官若想获得大规模应用，还需要制订统一、标准的生产流程。麻省理工学院的生物工程师Linda Griffith 及其同事为实现此目标计划采用3D打印技术。

这种机器(快速原型制造机的一种，详情请参见本期的《快速原型制造的光明未来》一文)根据计算机分层扫描物体采集的数据一层一层地喷涂构建复杂物体。一根滚轴在活塞顶部的平板上推出一层粉末。然后，一个喷墨打印头在这层粉末上按照计算机文件的指示涂一层粘合剂使其成为固体状。之后将活塞倒转，继续进行此过程直至所有层都喷涂完成为止。把制成的物体取走后，多余的粉末会自动脱落。

Griffith 和她的合作者们在打印机上使用粉末和特殊粘合剂并采用多打印头，这样就能大规模生产各种组织和器官所需的框架。这种打印机不仅可以使研究人员精确地控制框架外形，而且可以使研究人员根据各种细胞的不同属性选择适当框架化合物。

这种3D打印机为组织工程师提供了制造复杂器官的倚天之剑。研究人员正在利用这种3D打印技术制造肝脏及其他器官。他们希望生物科学技术与3D打印技术相结合能够制成可移植的肝脏。

如果这种人造器官制造厂获得有关部门的许可，那时在隆隆的机器声中，患者所需的大量器官会走下生产线。我们不知道未来这些工厂究竟是直接生产各种器官还是生产制造人造