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 生物前沿

 豆腐、菠菜、冰块……这些素食界的中流砥柱,摇身一变将成为器官移植的中坚力量。

 《生物技术趋势》杂志近日发表了一篇美国马萨诸塞州洛厄尔大学研究人员的学术评论,探讨将鸡蛋壳、豆腐、菠菜等日常材料用作组织支架的可行性。“这些选自天然的传统材料似乎功能更强、更可持续、成本也更低。”论文作者美国马萨诸塞州洛厄尔大学副教授古尔登认为,天然材料将适用于生物医学研究的许多领域。

 据权威数据统计,我国2017年实施器官移植手术超过1.6万例,2018年上半年实施近万例,同比增长18%。尽管自愿捐献目前仍是我国器官移植的唯一合法来源,随着移植技术的成熟与进步,对移植与修复器官的需求仍在不断增长,而组织工程技术希望通过人工合成的方法成为有益补充。因而,组织支架可及性的大幅提升很有可能为器官移植解决“瓶颈性”难题。

 为移植的功能细胞搭个“家”

 对于一个组织工程的器官来说,除了发挥生命功能的种子细胞是核心之外,生物材料也是非常重要的组成部分。

 “单一细胞移植不易成活,也不‘合群’。”天津医科大学教授顾汉卿等在总结组织工程技术的产业化现状时介绍,必须为组织工程化的构建提供细胞载体与组织结构支架,因此需要生物材料。通俗地说,生物材料是要为移植的功能细胞搭个“家”,连“家”一起搬过去,让外来的细胞有个支撑和依靠,进而成活下来。

 “组织支架及其材料是影响组织构建最为关键的因素之一。”顾汉卿介绍,生物材料为种子细胞提供了适合其生长、基质合成及发挥其他功能的生物学空间,克服了细胞单独移植中细胞不易成活、基质合成能力低下等缺点。常用于组织工程的生物材料,按来源可分为天然材料和合成材料;按其化学成分可分为高分子材料、生物陶瓷和生物复合材料。

 由于要植入体内,甚至是人体内的核心部位,因此对于组织工程生物材料的选择,有很多苛刻的要求,如可降解、良好的生物相容性、低免疫原性以及一定的空间结构、孔隙率、降解速率等特性。

 支架材料表面的化学和物理性能对种子细胞或生长因子会造成一定的影响,也影响种子细胞的黏附和增殖,还可能影响种子细胞或生长因子的功能。例如,胶原是一种常用的支架材料,但由于目前采用的异种胶原,存在一定的免疫反应问题,对种子细胞可能有一定的影响。

 随着人们能够在细胞分子水平上模仿大自然的“鬼斧神工”,第三代组织工程生物材料将生物活性材料与可降解材料这两个独立的概念结合起来,通过在可降解材料上进行分子修饰,诱导细胞增殖、分化,甚至与细胞外基质的合成与组装,启动机体的再生系统。

 在菠菜骨骼上长出心脏组织

 当主流的创新思路着力于分子水平的“合成”“再造”和苦苦寻找时,另一部分研究人员反其道而行,从触手可及的日常材料中寻求功能更强、更可持续、成本更低的材料。

 “最近的一些组织工程技术相对比较昂贵,其中一些可能需要长时间和繁琐的优化程序来生成这些三维支架。”古尔登说,转向自然的思路,很可能达到成本效益高、可持续发展的目的。

 据报道,受菠菜密集的静脉网络类似于人类心脏的血管网络这一点启发,美国伍斯特理工学院的研究人员通过清洗植物细胞并留下植物壁基质,尝试在菠菜骨骼上生长心脏组织。

 各种其他的天然材料也在研究之中:豆腐被用作富含蛋白质的支架,通过促进细胞黏附来帮助伤口愈合;加入富含钙的蛋壳来加强支架材料可以促进骨愈合和神经组织再生;一些研究从折纸术中获得了构建三维纸支架生长骨组织的灵感。

 古尔登相信,直到现在蛋壳的医疗潜力仍未被开发,他和同事利用一种新的介质,可利用蛋壳生长新的骨组织,帮助骨骼创伤后再生。目前他们已经在老鼠身上进行实验,将来很可能用于治疗骨折等各类骨损伤人群。科学家会在受损的骨组织部位移植新的组织,这种新材料能够加快骨移植的愈合。

 古尔登说,将骨细胞凝胶混合物植入大鼠后发现相容性良好,从接受移植的人身上收集骨细胞匹配后可用于人类骨折的治疗。全球每年扔掉的数百万吨蛋壳垃圾,将获得另一种利用途径。

 目前,科学家对回溯自然的生物材料的研究感到乐观,大大降低成本是这些自然衍生品不可替代的优势。不仅为器官来源“解渴”,而且大大降低临床使用价格,将使得器官移植的广泛应用成为可能。但“田园风”的组织再造距离真正的临床试验还有一段距离,在此之前,还有确定标准方案、验证生物材料疗效、患者安全性等很长的路要走。(记者 张佳星)