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哈佛医学院用干细胞人工培养出肺脏
来源:澳大利亚广播公司 | 作者:科技日报 徐子惠 | 2010/7/28 13:54:01 | 浏览:2554 | 评论:0

  日前,美国科学家首次公布了一项最新研究成果:在实验室中用干细胞人工培养出肺脏,植入老鼠体内可使其存活6小时。

  美国哈佛医学院的研究团队将老鼠肺脏上的细胞剔除,只留下细胞外间质作为新肺生长的“撑架”。随后,他们在“撑架”中植入可定向发展为肺细胞的人类脐带细胞和老鼠胚胎细胞,并将其放入模拟生物体内环境的培养器中进行培养。

  这个微型的人工肺在培养器中不断生长,并于大约1周后开始氧气交换,也就是像正常肺一样“呼吸”。被植入老鼠体内后,人工肺仍能继续工作,成功使老鼠存活了6小时。

  “新肺”会像被摘掉的“旧肺”一样工作,排异反应大幅降低。

  稀缺的肺源,总是将很多人拒之肺移植大门之外。那美国的生物人工肺能否解决这一问题,他们是利用什么方法造出的?什么时候这一技术能应用到人?

利用原有支架长出肺

  “这个生物人工肺不是真正意义上的人工肺,可以称为再生肺,因为还不是全人工制造,而是利用原有的大鼠肺支架为基础,经种植上血管内皮细胞和肺泡上皮细胞而完成的。”同济大学医学院常务副院长、医学博士和药理学博士徐国彤教授说。

  他介绍,本次美国哈佛大学麻省总医院牵头完成的再生肺研究,简单说起来是这样的:先把健康大鼠的肺取出,通过一个特定的装置对肺组织进行脱细胞处理,用一种叫SDS的灌注液对肺组织内部进行冲洗(有些像我们用肥皂液洗手一样),得到无细胞的“肺支架”,该“支架”仍保留有血管、气道和肺泡等结构。然后把“支架”固定在特制的生物反应器中,再把两种细胞分步种植到“肺支架”上去并进行培养,大约两周就可以完成肺的再生。

  “该再生肺,在体外实验中显示可以有血液流通和气体交换。在动物实验中,把大鼠部分肺叶切除并移植再生肺叶后,该肺可以有受试大鼠的血液流通、气道可以通气。检测动脉血氧分压的结果表明再生肺能进行气体交换。”徐国彤说,“这是一个很大的突破。但目前,这个再生肺的功能只维持了6小时。第7小时时,再生肺的肺泡内因充满了非血性液体而失去功能。病理检查证实是肺水肿。但相信随着研究的进展和技术的改进,再生肺的生存时间会越来越长。”

因子控制干细胞发展成肺细胞

  “利用干细胞制造肺组织的各种细胞目前还做不到。”徐国彤说,“干细胞是指具有自我更新能力和分化潜能的细胞,就是说一个干细胞可以产生与它完全一样的子代细胞或其他类型细胞的子代细胞(比如肺泡上皮细胞、肝细胞、神经细胞等)。”

  根据干细胞能产生的子代细胞类型的多少,可以被分成全能干细胞(可以分化成任何种类细胞)、多能干细胞(可以分化成多种类型细胞但不是所有类型细胞)以及组织干细胞(只能分化为特定组织细胞,如神经干细胞)等。干细胞可以有多种来源:从早期胚胎(囊胚期)内细胞团培育出来的干细胞被称为胚胎干细胞;从成体组织获得的干细胞叫成体干细胞(经常讲到的骨髓间充质干细胞就属于这类);而利用Yamanaka因子(共有四个)可以把多种成体细胞(不是干细胞)转变为多能干细胞,统称为诱导性多能干细胞(即iPS细胞)。

  徐教授介绍:“这次生物人工肺的研究者应该是已经考虑甚至在进行以能定向分化成肺组织细胞的干细胞为种子细胞的研究了,通过在培养时加入不同的因子,控制这些干细胞变成我们需要的细胞类型。如内皮细胞、上皮细胞等等。”

应用到人,最少要5年

  针对这项研究,耶鲁大学的妮可拉森博士说:“这是肺部再生的起步,最终会用在人类身上。”她说:“到最后,我希望能够创造出一个可直接植入人体内的肺脏。这样一来,我们就不必再进行肺部移植手术了。”

  但徐国彤表示:“从动物试验到临床应用到人,需要很长的路,不是一蹴而就。但一旦成功,肯定给器官移植行业带来巨大变化。”

  哈佛大学医学院的研究人员也坦言,要想用类似的方法培养出可用的人类肺脏还有很长一段路要走,但是在5到10年内,这项研究将取得重大进展并最终被投入实际医疗应用,为需要肺脏移植的病人解决肺源不足的问题。无论如何,这项里程碑性的成就,为全球约5000万的晚期肺脏疾病患者带来了希望。

  甚至有人猜想,如果把一副肺原有细胞去除后,植入待接受移植者的干细胞,再把长出的新肺植入他的体内,“新肺”会像他被摘掉的“旧肺”一样被滋养、调整和生长。这样就能大幅降低排异反应,同时解决可移植器官紧缺问题。

 

相关链接:美国打造“芯片肺脏”

  在人工肺的研究中,研究人员还利用微型品制造技术与组织工程技术,将人类细胞与真空芯片结合,制造出了“一片”能够自由呼吸的人工肺。

  这枚大小如一片橡皮的装置模仿了肺脏最活跃的肺泡部分,并且能够完成将空气中的氧气混合至血液中的过程。

  由于这枚“芯片肺脏”装置对诸如细菌以及空气污染产生的反应和活体肺脏相似,在未来将有可能会被用来测试药物安全以及人体对环境污染的反应。这个装置能够大大减少制药检查方面对活体动物实验的依赖,同时也能减少制药成本、缩短药物推向市场的时间。最令人兴奋的是,这个“芯片肺脏”系统让科学家看到了制造完整人工肺脏的希望。

  即使是目前,这个半透明的肺脏也有助于研究人员了解肺脏的运行原理。哈佛韦斯研究所的总监和该项目论文的主要贡献人唐纳德·英勃(Donald Ingber)表示:“‘芯片肺脏’装置的高仿真性为将来的诸多科学实验提供了更好的选择,无疑会代替大量原本在动物身上测试的实验研究。”据悉,该研究成果已于6月25日发表在了美国《科学》杂志上。

  目前,组织工程微系统的研究大多受到机械或者生物学上的限制,唐纳德说:“除非我们把实验放在真实的活体细胞、组织和器官中,否则就难以了解生物系统的运作规律。”而“芯片肺脏”装置让科学家对组织工程的研究又前进了一步,它将两层活体组织——内层为肺泡层,外层为血液循环层结合起来,利用真空原理让空气在整个系统中能够以高度还原的方式运作。

各国关于“人工肺”的研究

  2004年美国匹兹堡大学医学中心研制出一个能够暂时替代人体60%肺功能的装置。这个被称为“哈特勒呼吸导管”的“人工肺”,呼吸导管从大腿处进入人体静脉血管后,曲折上行,最后到达并定位于静脉腔——一根向心脏回送血液的主静脉。该装置的主要构件是一个外面缠绕着1000根空心细管的小气球,它每分钟能够膨胀与收缩300次。在此过程中,血液被推动着穿过这些细管,并不断从中吸进氧气,排出二氧化碳。

  2002年4月,日本冈山大学医学系的科研人员宣布,他们已经研制出一种可以置入人体内部的小型“人工肺”。据此间媒体报道,这种“人工肺”是一种体积和形状与烟盒相仿的塑料装置,外部的氧气罐将为之提供氧气。“人工肺”内部充满了数万条极其微小的管状细丝,这些细丝可以充当滤血器。研究人员说,“人工肺”内部的血液循环将通过心脏的相关功能来完成,并不需要任何外部动力设备。他们希望“人工肺”能够用来作为等待接受器官捐献者的病人的临时装置。病人体内置入“人工肺”之后,想要四处活动一下就可以少费一些力气。

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