起死回生是人類亙古不變的幻想。在我國(guó)神話中，最為出名的復(fù)活當(dāng)屬「想你時(shí)你在鬧?！沟哪倪福?/p>
傳說(shuō)哪吒自刎后，其師尊太乙真人以葉梗為骨、蓮藕為肉、蓮花為靈，將哪吒重新捏造為人。
圖源：bilibili 視頻截圖
(相關(guān)資料圖)
在植物中孵化人體組織，這種近似神話中的描繪。其實(shí)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室里成為某種現(xiàn)實(shí)。
2016 年的 TED 大會(huì)上，再生醫(yī)學(xué)教授Pelling舉著幾個(gè)蘋(píng)果片兒在演講臺(tái)上侃侃而談。
當(dāng)大屏幕將他手中的蘋(píng)果放大后，所有人都悚然發(fā)現(xiàn)：這幾片蘋(píng)果竟散發(fā)著肉色光澤。再仔細(xì)一看，它們完全長(zhǎng)了一副人耳模樣。
蘋(píng)果耳朵和 3D 打印耳朵的對(duì)比 （參考文獻(xiàn) 1）
Pelling 介紹說(shuō)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈感來(lái)自于妻子削的蘋(píng)果，他發(fā)現(xiàn)那一瓣和人耳很像，由此他就想：那是否可以用蘋(píng)果造個(gè)耳朵呢？
看起來(lái)似乎天馬行空，但這個(gè)腦洞卻在科學(xué)上能立得住腳：
首先,植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞雖然存在著較大差異，但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞中牢固的纖維素骨架足以支撐動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)。而纖維素作為植物細(xì)胞壁中最豐富的成分，是一種經(jīng)過(guò)廣泛研究的生物材料，可用于多種臨床應(yīng)用。
而想讓動(dòng)物細(xì)胞在植物骨架生長(zhǎng)，就需結(jié)合最近幾年快速發(fā)展的脫細(xì)胞技術(shù)。
脫細(xì)胞技術(shù)可以通過(guò)化學(xué)、物理等方法，去除器官或者組織中的原有細(xì)胞（resident cells）留下細(xì)胞外基質(zhì)，形成無(wú)免疫性或低免疫性組織工程支架。
這樣醫(yī)學(xué)家們就可以用患者自己的細(xì)胞對(duì)脫細(xì)胞的組織和器官進(jìn)行重新細(xì)胞化，以形成自體移植物。
這位教授團(tuán)隊(duì)先將蘋(píng)果置于 -20℃ 進(jìn)行低溫處理后，將蘋(píng)果果肉切成便于實(shí)驗(yàn)的片狀。再用 SDS 等試劑進(jìn)行脫細(xì)胞處理，將所有蘋(píng)果細(xì)胞及 DNA 等洗去，只留下纖維素骨架用以培養(yǎng)人類細(xì)胞。
實(shí)驗(yàn)流程 （參考文獻(xiàn) 1）
最終，Pelling 欣喜地發(fā)現(xiàn)在蘋(píng)果纖維支架內(nèi)中成功培養(yǎng)了 NIH3T3 成纖維細(xì)胞、小鼠 C2C12 細(xì)胞和人 HeLa 上皮細(xì)胞。這只「耳朵」不僅在培養(yǎng)皿中維持了長(zhǎng)達(dá) 12 周的生命活動(dòng)。它的簡(jiǎn)易版本還在小鼠體內(nèi)成功定植并形成了血管供應(yīng)。
腦洞大開(kāi)的還有美國(guó)伍斯特理工學(xué)院的 Glenn 團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)之前致力于使用 3D打印技術(shù)搭建精密復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)。但在實(shí)驗(yàn)中他們遇到了瓶頸：
首先，當(dāng)前限制組織工程投入臨床的主要原因是缺乏功能性血管網(wǎng)絡(luò)。
如果沒(méi)有可行的血管網(wǎng)絡(luò)，組織內(nèi) 100～200μm 的氧氣擴(kuò)散極限將無(wú)法克服，更不必說(shuō)維持營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝廢物的運(yùn)輸。這大大限制了可以進(jìn)行工程改造并保持活力的移植物大小。
此外，微脈管系統(tǒng)（直徑 <10μm）也無(wú)法通過(guò)當(dāng)前的生物技術(shù)進(jìn)行人工制造。
但 Glenn 教授偶然發(fā)現(xiàn)，盡管植物和動(dòng)物完成體內(nèi)物質(zhì)輸送的方式不同，但所用到的脈管結(jié)構(gòu)卻十分相似。
比如描述人類心血管系統(tǒng)漸縮，分支網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的穆雷定律。而像菠菜等蔬菜中的植物脈管系統(tǒng)也遵循這一規(guī)律的限定。在此基礎(chǔ)上，植物脈管系統(tǒng)似乎也能充當(dāng)人工血管向組織中輸送血液。
動(dòng)植物脈管結(jié)構(gòu)比較（參考文獻(xiàn)2）
這位教授采取的實(shí)驗(yàn)思路也基于脫細(xì)胞技術(shù)。不過(guò)他們?cè)诶w維素骨架中接種的是心肌細(xì)胞。經(jīng)過(guò)幾天的培養(yǎng)，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)這些心肌細(xì)胞可以像人體組織一樣自發(fā)收縮并完成泵血。
圖源：YouTube 視頻截圖
TED 上的演講和成功文獻(xiàn)的接連發(fā)表。讓學(xué)術(shù)界和投資人都眼前一亮。不少在人體器官 3D 打印上遇到瓶頸的醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)都轉(zhuǎn)而投向了用植物造器官的領(lǐng)域。
但現(xiàn)實(shí)卻給他們狠狠地潑了一次冷水：并不是所有的植物都能用來(lái)創(chuàng)造器官。哪怕是有臨床潛力的菠菜，也會(huì)面臨自己的滑鐵盧。
一研究團(tuán)隊(duì)就曾發(fā)文記錄下自己的失敗，該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)選擇使用菠菜和細(xì)香蔥嘗試制備人體中的腎小管。雖然經(jīng)過(guò)脫細(xì)胞處理后，腎細(xì)胞可以在其制備的纖維素支架中生長(zhǎng)。但在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了很多難以解決的問(wèn)題。
pubmed 截圖
首先，腎細(xì)胞雖然能在細(xì)香蔥和菠菜葉柄的管腔中生長(zhǎng)，但它們未通過(guò)葉柄到達(dá)菠菜葉脈管系統(tǒng)，相當(dāng)于需要發(fā)揮腎小管功能的區(qū)域無(wú)法生長(zhǎng)腎細(xì)胞。研究者認(rèn)為這種植物血管解剖學(xué)讓細(xì)胞播種的可及性變得非常不可能。
其次，菠菜和香蔥在培養(yǎng)過(guò)程中出現(xiàn)了迅速崩解。這種現(xiàn)象表明它們?cè)谌梭w中的可植入性堪憂。
最要命的是，纖維素支架還暴露了通透性不足的問(wèn)題，研究者用腎功檢驗(yàn)中常用的菊粉對(duì)香蔥腎小管進(jìn)行通透性檢測(cè)，10 分鐘內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到任何菊粉的滲透。不具備必要的物質(zhì)交換功能，也在腎小管制作上宣判了死刑。
盡管用植物養(yǎng)器官光在實(shí)驗(yàn)室階段就困難重重。但支撐這些醫(yī)學(xué)家搞下去的核心動(dòng)力依然是臨床的剛需：移植器官供需的極度失衡。
Glenn 教授曾表示：「若將植物用于人體組織培養(yǎng)的技術(shù)成熟，器官移植領(lǐng)域?qū)@得井噴式進(jìn)步?！?/p>
2016 年，全球共完成 34096 例公民逝世后器官捐獻(xiàn)，實(shí)施 135860 例器官移植手術(shù)，但全球有超過(guò) 130 萬(wàn)患者等待器官移植，當(dāng)年的手術(shù)量?jī)H能滿足約 10% 的移植需求。我國(guó) 2016 年中國(guó)器官捐贈(zèng)者剛超過(guò) 4000 人，而等待移植者就達(dá)到了 30 萬(wàn)。
除了供需不平衡以外，極其高昂的移植費(fèi)用也讓不少患者望而卻步。
比如在 Pelling 嘗試用蘋(píng)果做人耳之前，重建人耳中的常用技術(shù)為肋軟骨法和生物材料法。
2022 年 6 月 2 日，3DBio 公司表示，首次在人體試驗(yàn)中成功植入了來(lái)自患者自身細(xì)胞的 3D 打印耳朵。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)小耳癥患者的耳朵進(jìn)行活檢，從中分離出軟骨細(xì)胞進(jìn)行體外細(xì)胞培養(yǎng)擴(kuò)增，然后使用專有的創(chuàng)新 3D 打印技術(shù)，「打印」出正常形狀的耳朵，再由醫(yī)生移植給患者。
該項(xiàng)技術(shù)臨床試驗(yàn)的第一位患者今年 3 月進(jìn)行了手術(shù)移植，植入后軟骨組織成功再生并自然愈合。這為器官移植奠定了基礎(chǔ)。
3DBio公司官網(wǎng)截圖
雖然 3D 生物打印重建器官未來(lái)可能成為器官移植的潛力方向，但這些方法通常比較復(fù)雜和昂貴。
舉個(gè)例子，國(guó)外在進(jìn)行耳部重建時(shí)會(huì)使用一種名為medpor的線形高密度聚乙烯生物材料，其進(jìn)行矯正的費(fèi)用至少需要 4 萬(wàn)元。
而植物器官最有力的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)就是物美價(jià)廉。Pelling 使用的蘋(píng)果只是在路邊攤上隨便買(mǎi)的。同時(shí)伍斯特理工學(xué)院使用的菠菜脈管和 3D 打印出的脈管，在價(jià)格上也是天差地別。
截至今天，很多植物器官的項(xiàng)目進(jìn)度喜人，比如 Pelling 的另一項(xiàng)研究重點(diǎn)：蘆筍。
過(guò)去的學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為脊髓神經(jīng)無(wú)法再生修復(fù)。在臨床上，因脊柱損傷導(dǎo)致的癱瘓目前治療手段匱乏。即使有名有錢(qián)如《超人》主演克里斯托弗和 F1 車神舒馬赫，都難以治愈。
舒馬赫的治療費(fèi)用（太陽(yáng)報(bào)截圖）
但 Science 上的一篇文章證明了中樞神經(jīng)的可再生修復(fù)性，似乎為中樞神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域提供了一絲可能。
在此基礎(chǔ)上，Pelling 發(fā)現(xiàn)植物纖維無(wú)法被人體組織吸收，反而能支撐神經(jīng)慢慢生長(zhǎng)。而蘆筍的內(nèi)部的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)也有可能將受損的神經(jīng)元重新連接起來(lái)。
去年 11 月，蘆筍纖維微小管修復(fù)人類中樞神經(jīng)的技術(shù)成功拿到美國(guó) FDA 突破性醫(yī)材資格認(rèn)定。而 Pelling 也表示，植物器官移植的人體試驗(yàn)也已經(jīng)不遠(yuǎn)了：
intrado 新聞截圖
「也許大家要提前想想，能否接受一根香蔥從廚房長(zhǎng)到你的腎上?！梗ú邉潱篛rigami、gyouza、nene）
致謝：本文經(jīng)東京大學(xué) 工學(xué)系研究科再生醫(yī)工學(xué)研究室王東喆專業(yè)審核
[1]Modulevsky DJ, Lefebvre C, Haase K, . Apple derived cellulose scaffolds for 3D mammalian cell culture. PLoS One. 2014 May 19;9(5):e97835.
[2]Gershlak JR, Hernandez S, Fontana G.Crossing kingdoms: Using decellularized plants as perfusable tissue engineering scaffolds. Biomaterials. 2017 May;125:13-22. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.02.011.
[3]Jansen K, Evangelopoulou M, Pou Casellas C, Abrishamcar S, Jansen J, Vermonden T, Masereeuw R. Spinach and Chive for Kidney Tubule Engineering: the Limitations of Decellularized Plant Scaffolds and Vasculature. AAPS J. 2020 Dec 28;23(1):11. doi: 10.1208/s12248-020-00550-0.
[4]Hickey RJ, Pelling AE. Cellulose Biomaterials for Tissue Engineering. Front Bioeng Biotechnol. 2019 Mar 22;7:45. doi: 10.3389/fbioe.2019.00045.
[5]https://3dbiocorp.com/
關(guān)鍵詞： 器官移植 中樞神經(jīng) 脈管系統(tǒng)
