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百科 | 大脑、血液、五脏六腑,人体器官都能人工制造?

2019/10/15 12:49:12

百科 | 大脑、血液、五脏六腑,人体器官都能人工制造?

日前,军事医学科学院团队历经10年努力,建立了“人工血液”制备工艺,并通过干细胞技术成功制备出“人工红细胞”。经权威机构检测,这个“人工红细胞”与正常红细胞在血红蛋白含量、携氧能力和渗透脆性等指标上基本一致,是体外制备最接近临床应用的生物科技成果。

目前,包括“人工血液”在内的人造器官技术被不少国家列为临床医疗和国防安全的重大攻关课题。那么,“人工血液”到底有何用处?还有哪些人类器官或组织可以被“制造”出来?


“人工血液”能否大展身手


   

无偿献血的人不够,冷库储血告急,怎么办?战场上伤员失血过多,无法快速及时输血,怎么办?
   

血源的缺乏、血液运输和保存的困难,迫使科学家们去寻求有效的血液代用品,人造血液技术应运而生。所谓“人工血液”,最早可以追溯到上世纪30年代。当时限于种种条件,只能从人血中提取红细胞,进行脱氧、冷冻和干燥,制成血红素粉保存起来;临用前,再用生理盐水配成血红素液,作为血液代用品。严格来说,它不能称之为人造血,而只是人血的提取物。
   

随着医学技术的发展,越来越多的实验证实,干细胞具有自我更新和多向分化的潜能,可以作为血液细胞制备的有效来源。特别是干细胞能够在体外直接“生产”红细胞,且由此获得的细胞具有正常红细胞一样的生理功能,因而逐渐成为人造血液技术的主要发展方向。
   

与正常的人类血液相比,人造血液有许多神奇的功效。首先,溶氧量比人血高2倍,这对危急病人的供氧特别有利;其次,没有血型之分,无论任何人均可输注,安全方便;再次,化学性质稳定,无需低温贮藏,且保存时间可长达数年;最后,无菌无毒,不会给受血者带来传染性疾病。
   

不过,据现有技术而言,“人工血液”要真正发挥替代作用,还面临不少挑战:一方面,同时输送多种气体,如氧气、二氧化碳等,意味着需要更多的蛋白种类支持,从而带来更大的排异风险。另一方面,制造运输过程中,温度的细微变化等可能改变特定蛋白的生理活性,从而产生无法预测的变化。
   

更为严重的问题是,血液在人体循环系统中往复流动,在血浆的维持和运载下,血细胞各司其职,完成极其复杂却又高度有序的免疫、运输、代谢等过程。而现有的“人工血液”还不具备白细胞、血小板、抗体、酶等人体活性物质,这将导致它不具备抗菌、凝血、免疫等多重功能。 
   

此外,在社会心理和伦理层面,“人工血液”还可能造成深远的冲击。毕竟,当我们身上流的血液都是人工制造的,还会不会对生命、对自然充满感激和尊重呢?

 

三维打印器官能否普及

 

不仅血液,人的牙齿、耳朵、肝脏、骨骼乃至皮肤、血管,也已经或有望被“制造”出来。这多亏了三维生物打印技术的发展。
   

所谓三维生物打印技术,是利用电脑辅助累积制造法,实现医学、工程学、电子学、生物学的整合,进而“打印”出跟人的器官或组织一样的替代品,用于组织修复和器官移植。
   

与普通的三维打印技术不同,三维生物打印的制造过程必须符合生物学的标准,要能保证细胞活性、组织功能,还要符合医学标准,如无菌等。这些要求看似简单,其实需要大量的实验来获得针对每种器官相应的生物材料、细胞和生长因子的最佳组合。
   

最为常见的人造器官是“人工心脏”,即用生物机械手段部分或完全替代心脏的泵血机能,维持全身的血液循环。据报道,印度哈拉格普尔理工学院的研究小组历经3年,制造出一种新型“人工心脏”。

 

这种人造心脏和传统人造心脏系统有很大不同,是根据蟑螂的心脏起搏和运行机制研发的。蟑螂的心脏由13个小室组成,而人类的心脏只有4个小室。即使有一个小室停止工作,蟑螂的心脏仍然会继续正常跳动。这种新型人造心脏已经在青蛙身上试验成功。
   

三维打印牙齿技术,是目前研究和发展较为成熟的一个领域,主要成分是传统打印材料和人牙髓细胞共混物。传统的打印材料包括石膏和金属钛;而人牙髓细胞混合物附着,则进一步提供了适合生长分化的良好微环境。

 

此外,还有科学家尝试引进激光扫描技术。由于这一技术直接将扫描后的信号输入到三维打印机,减少了信号转化过程中信息的丢失,从而最大程度提高了牙齿模型的精确度。
   

能够实现个性化定制的“人工耳朵”,也是一个成功案例。据报道,美国康奈尔大学研究人员首先利用快速旋转的三维相机拍摄数名儿童的耳朵信息,然后将其输入计算机,三维打印机据此打印出耳朵模型。

 

之后,研究人员在模型中注入特殊的胶原蛋白凝胶,这种凝胶含有能生成软骨的牛耳细胞。数周内,软骨逐渐增多并取代凝胶。3个月后,模子内出现一个具有柔韧性的人造外耳,其功能和外表均与正常人耳相似。

 

人造器官能否增强人类能力


   

不过,虽然人造器官技术取得了一定的进展,但目前许多三维打印器官仅停留在基础研究层面。其中最关键的问题是,大部分人体组织和器官都是有血管系统的,而当前三维生物打印技术还不能制造出与人体血管系统功能相当的替代品,更不用说将血管系统融入三维打印的器官或组织。
   

同时,选择什么样的细胞也至关重要。人体的不同器官或组织都由特有的细胞组合而成,肝脏主要有肝细胞,心脏主要有心肌细胞,皮肤主要有各种上皮细胞。但并不是所有的细胞都可以在体外分离进行培养,而且不是所有细胞经历三维生物打印的环境之后还能够保持生物活性。所以,如何优化细胞分离、培养、增殖技术,是保证人造器官有效运行的另一大要素。 
   

此外,随着各种人造器官的出现,一些人越来越担心新技术的负面影响。美国皮尤研究中心就3项新兴技术调查了4726名美国成年人的看法。这3项技术分别是在子宫内编辑基因以降低严重疾病的患病率、为健康个体植入大脑芯片以增加心智技能以及用人造血液提高人类的速度、力量和活力。
   

调查显示,68%的受访者担心基因编辑,69%的人担心大脑芯片,63%的人对合成血液的使用感到困扰。只有约1/3的被访者表示,愿意使用大脑芯片和人造血液;而对于基因编辑,愿意给自己孩子使用和不愿给自己孩子使用的人几乎各占一半。这一结果表明,美国人更现实的想法是使用这些技术纠正现有的问题或应付一种残疾,而非实现更高水平的功能。
   

可见,生物医学技术虽然正在快速发展,但怎样使用这些技术以及如何利用新兴技术增强人类能力,是一个值得讨论和深思的社会话题。 
   

(图片来源:视觉中国 图片编辑:曹立媛 编辑邮箱:gongdy034@jfdaily.com)