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再生不是夢:用Matrix重建你的身體

來源:果殼網| tzb 發表于 2013.10.14| 點擊數4486

曾被認為僅僅是身體細胞支架的基質(matrix),在前所未見的程度上,能使再生成為了可能。圖片來源:《新科學家》

(文/ Andy Coghlan)“一開始,只是膝蓋附近有輕微痛疼,可能是蚊子叮的,”伊麗莎白·羅博(Elizabeth Loboa)說。但是抗菌藥膏不管用,而且兩周內1處傷口變成了3處。從傷口的外形來看,她的醫生推測可能是超級細菌MRSA(耐甲氧西林金黃色葡萄球菌),并開了強效口服抗生素的藥方。這是將誘惑放大的關鍵點,她說:“我決定嘗試我自己研發出來的治療方法,而不是吃這些藥片。”

羅博不是普通的病人。在她位于美國北卡羅萊納州立大學的實驗室中,材料工程師已經制成了一種特殊的、能夠自我降解的超級繃帶,它能夠快速愈合感染的傷口,不需要按標準療程使用抗生素,也不會留下疤痕。

羅博的超級繃帶的核心,是一種可降解的材料。除了你體內新生的、健康的細胞以外,它不會留下任何東西。更重要的是,今后相同的手段可用于治愈從肌肉撕裂、消化組織損壞到骨折等各種病痛。一些研究者已經成功用它重建了整個受傷的器官,未來它或可在修復大腦方面起到重要作用。瑞典哥德堡大學的蘇切特拉·蘇米爾安-霍爾格森(Suchitra Sumiran-Holgersson)說:“這真是令人興奮的事情,我們正嘗試創造一個全新的人類個體。”

這種超級物質是什么?在人體內,它被稱為細胞外基質(extracellular matrix),一種將活細胞從血管、器官或皮膚表層去除后留下的物質。這種支架使我們身體的各個部位有了其不同的細微形態與硬度。

我們曾經認為,這就是它的全部功能。美國賓夕法尼亞州匹茲堡大學的再生醫學家史蒂文·巴迪拉克(Steven Badylak)說:“所有人都認為基質僅僅是將所有東西架住而已,”他是基質療法的早期先鋒人物之一。再生醫學研究者相信基質是不錯的支撐體,很早就嘗試用它來重生器官。例如,在動物試驗中,他們會取出一個腎臟,用溫和的洗滌劑將上面的細胞處理掉。然后,他們將剩余無活性的基質作為模板來存放實驗的主角——能夠將基質重新填充并變活的干細胞。

但是在幾年前,基質更多的作用得以展現。巴迪拉克說:“現在我們相信,它的結構是次要的,它有許多重要的作用。”

不只是支架

首先,基質并不是生物學上緘默的旁觀者,不僅包含了許多無活性的結構蛋白,如膠原蛋白(collagen)和彈性蛋白(elastin),還包含能引導正確細胞在正確時間固著在正確地點的蛋白質,如鉤狀的纖連蛋白(fibronectin)和整連蛋白(integrin),它們能為特定細胞提供分子錨著點。

一旦它們召集到正確的細胞,基質便會展現它的另一大作用:它能依據細胞在基質內承受的張力,引導它們轉化成骨骼細胞、肌肉細胞或脂肪細胞。這個張力是每日肌肉運動力量的附加產物。在實驗室中,張力則是由人工操作基質硬度來完成。例如,高張力能夠使所有進入的干細胞變成肌肉或骨骼,而在相對松弛的基質中,干細胞則會變成脂肪細胞。

最終,在引導干細胞成為正確的細胞之后,基質還有辦法灌溉它們,使它們繼續成長為大型結構?;手謝勾嬖誶啃ひ蜃影鎦芐緯?,為生長中的器官提供氧氣。

開發這些特性能為我們培養器官帶來變革。2013年年初,美國波士頓馬薩諸塞州綜合醫院的哈拉爾德·奧特(Harald Ott)成功培育出了世界上第一個能運作的人工腎臟。腎臟是一個極為復雜的器官,干細胞研究者一直都認為,需要多種類型的細胞才能使其生長。奧特驚訝地發現,他只將兩種細胞填(一種類血液干細胞注入血管,另一種內皮細胞注入過濾血液的曲折管道)充進了一個去細胞的腎臟基架中,所有種類的細胞就在它們應有的位置形成了。人工腎臟在白鼠體內運行良好,激勵了奧特正利用相似技術培育心臟、肺和胰。他的實驗室并非唯一一個追逐這一目標的實驗室,蘇米爾安-霍爾格森說:“我們正致力于培育肝臟、心臟、腎臟、食管、喉和腸。”

但器官并不是唯一我們想要再生的目標,巴迪拉克立即意識到,基質的錨定作用可以幫助他解決不同的問題——肌肉生長。損壞的肌肉能夠在一定程度上再生,但如果某一特定肌肉群受到嚴重傷害,傷疤組織將阻礙肌肉的重生。從身體其他部位移植肌肉是目前唯一的辦法,但巴迪拉克說,移植的肌肉不能很好地發揮作用。通常,這樣的傷害就意味著截肢手術和安裝假肢。

但是,如果你能利用基質從自身體內吸引并培育肌肉呢?此類情形并非首次出現了,之前從遺體上取下來的去細胞氣管,就成功地在病人體內長出了新的、正常工作的氣管。因此巴迪拉克進行了這種嘗試:他利用從豬膀胱中取出的基質來再生6位病人的大群肌肉,這6位病人都在車禍或其他損傷中喪失了大量的肌肉。羅恩·斯特朗(Ron Strang)是一位28歲的美國海軍戰士,他自愿參與了此次試驗,他的股四頭肌在阿富汗的一次街道爆炸中受到重創。巴迪拉克說:“在沒有幫助的情況下,羅恩根本離不開輪椅。”

利用外科手術清理掉殘留疤痕組織后,巴迪拉克直接將一塊基質放置在傷處,小心地保持它對身體的緊繃狀態,以使它能順利變成肌肉,而非脂肪。

初期結果令人驚訝:6個月后,豬的基質消失了,取而代之的是一個新的、完整的、天然的、其上附著肌肉的、自愿者自己的基質。

斯特朗說:“我外出徒步,還能騎自行車了。”他甚至還玩起了橄欖球和籃球。其他自愿者也有明顯的改善,巴迪拉克說:“我們讓之前無法站立的人能騎車登山了。”他的下一個目標是,讓接下來的80個自愿者恢復至少25%的功能。

再造肌肉是一方面。如何重生斷骨呢?這正是美國匹茲堡卡梅爾醫療公司在做的事情。除此之外,這家隸屬于卡耐基梅隆大學的公司正在使用的基質,是由人類血液制造而成的。這家公司的管理者艾倫·韋斯特(Alan West)說:“我們的材料實際上是高濃度的血液凝塊。”正是近來動物實驗的成功,促使韋斯特在人類自愿者身上進行嘗試。

這種生面團一般的物質攜帶了許多能促進骨骼修復的生長因子。在南非長達一年的實驗中,這種“骨骼填充劑”應用到了10位自愿者斷裂的小腿骨或脛骨上。雖然韋斯特說目前報道實驗結果還為時尚早,但他暗示,在自愿者身上觀察到的快速康復,能夠使他們獲得更大規模實驗的批準。這些實驗將在歐洲展開,會在其他骨骼上進行。

與超級病菌抗爭

不過,天然基質的功能仍有限制——羅博知道天然的人類細胞外基質是不抗菌的。但她真正開始思考這一問題,是源于一位朋友去醫院進行踝關節更換手術后傷口感染了MRSA。“最后她不得不截去膝蓋以下的腿部,”她說,“對于如何再生不同組織,我們已經了解了很多,但如何才能?;つ悴皇苣鴕┏恫【娜肭幟??”

因此,羅博開始致力于研發一種可以身兼兩任的合成基質。這需要在不將新鮮肉體暴露給細菌的情況下,讓基質慢慢轉化為病人自身的組織。她說:“解決方法就是,不需要更換的繃帶。”

通常,基質來源于人類或豬的遺體。為了研發她自己的版本,羅博從聚乳酸(polylactic acid,一種用于醫學移植的、能夠被生物降解的物質)開始,將其塑造成能模仿皮膚結構的纖維。“奇妙之處在于我們能用這些纖維做的事情,我們能讓它們成為固態的、有孔的或者凹陷的結構。”她選擇了一種有孔結構,能夠在其中充填抗炎藥的混合物和銀離子抗菌劑(Silvadur,一種含有少量銀離子、可對包括MRSA在內的大多數耐藥細菌產生致命效果的物質)。這種材料通過兩個階段發揮作用:首先釋放物會將所有病菌覆蓋,然后次生防衛系統慢慢滲出以摧毀任何入侵者。結構決定了銀離子與其他藥物的釋放速度。羅博對銀離子在豬體內的滲透進行了測試:就連由MRSA或大腸桿菌造成的4厘米長的傷口都能被修復。

在觀察了許多次繃帶對病豬發揮效用后,她將其用在了自己的傷口上,這才是繃帶的真正意義所在。她說:“我將它貼在傷口上,3天后疼痛感就消失了。”不久,繃帶也不見了,留下了一道深色的傷疤,現在就連傷疤也幾乎消失了。羅博計劃將她的成果公諸于眾,但有一條信息除外——她說:“我不會泄漏自己傷腿的數據。”

北卡羅萊納州立大學的伊麗莎白·羅博,用她自己在實驗室里研發出來的超級繃帶,治好了自己腿上的MRSA超級細菌感染。這種繃帶的核心,是一種以基質為基礎的可降解的材料。圖片來源:asiancorrespondent.com

合成基質還可用來建造模板,提供比天然更為強健的身體部位,成百上千萬需要每年進行腎臟透析的人群將從中獲益匪淺。

透析對身體來講是殘酷的:你需要被掛在機器上,一周清洗3次血液,胳膊靜脈還得扎大洞。為了在幾小時內完成腎臟幾天的工作量,血液必須被強迫高速在系統中循環,這種過度使用通?;岬賈戮猜齠氯?,因此醫生不得不持續對它們進行疏通。如果這些措施失效,就有可能要從身體其他部位移植靜脈過來,但這需要幾個月的時間讓移植靜脈成長。同時,長時間插入塑料導管也極易造成感染。美國耶魯大學的組織工程師勞拉·尼可拉森(Laura Niklason)說:“這非常痛苦,也非常疼。”

因此,尼可拉森和她的同事致力于研發一種改良的天然靜脈基質部分,它將比靜脈更加強勁有力。為了完成這項工作,他們首先設計了一種能快速進行生物降解的聚合物,并將它塑造成與靜脈尺寸大小完全相同、管壁卻更厚的管子中。然后他們用人類胃肌細胞覆蓋管子,幾天后,細胞在天然膠原蛋白基質的基礎上完全取代了聚合物管。除了管壁更厚更能承受透析強大的壓力外,它與病人的靜脈完全相同。在去細胞化作用后,這些管子通過外科手術植入病人體內,以扮演透析靜脈的作用。尼可拉森將她研發的靜脈基質在波蘭30位自愿者的胳膊上進行了試驗。幾個月后,它們的運轉情況優異。尼可拉森已計劃在美國再進行20例移植。她對靜脈基質期待極高,希望能開發出新的用途,比如將它們用作冠狀動脈旁路。

有人認為,人工基質仍然不完全具備天然基質的無數特性。在瑞典哥德堡大學致力于人工材料的蘇米爾安-霍爾格森認為,盡管合成移植物具備潛力,但天然基質對建造器官仍非常關鍵。她說:“由于天然基質在吸引及分化細胞方面有許多重要的控制因素,因此無庸置疑,它仍然是首選。”

對于某些實例而言,創造將人工與天然兩個世界的優勢聯合起來的雜合物質已成為可能。這為克羅恩?。–rohn’s disease)造成的最嚴重后果——肛瘺的治療開啟了光明大道。

克羅恩病導致的膿腫會造成腸部穿孔,之后排泄物會通過皮膚滲出——在最糟糕的情況下,排泄物甚至能滲入體腔。在美國印第安那格林維爾經營Techshot公司(主營商用醫療器械的設計)的尤金·博蘭(Eugene Boland)說:“得克羅恩病20年后,50%的病人會發生前述情況,其中半數的病人都無法治愈。”之后,摻雜著尿布和常年服用止痛藥的情景,非常糟糕和令人絕望。

博蘭與美國路易斯維爾大學聯合設計了一種基于基質的瘺管塞。他使用了一種與羅博的纖維類似的成分——聚已酸內酯,這種材料能鏈接起來,為細胞提供額外的空間。他還在其中添加了作為天然基質成分之一的纖維蛋白原,它能幫助傷口愈合。

為了將瘺管塞安置進兩名克羅恩病患者體內,博蘭用患者自身的脂肪表層細胞覆蓋了雜合基質,然后將塞子植入已有幾年不接受任何治療的瘺管內部。在兩位患者體內,瘺管塞都發揮了作用。他說:“在兩周后,腸部穿孔就閉合了。”他希望在進行完整的試驗之前,再治療20例這樣的患者。

重建大腦

基質擁有一系列燦爛的前景。比如,羅博正致力于研發基質的多層版本,能夠對嚴重車禍中遭受的多種組織傷害進行同時再生修復。美國得克薩斯農工大學的格雷格·比克斯(Greg Bix)發現了一種基質的關鍵成分:被中風損壞的大腦基質釋放的一種信號分子——基底膜蛋白多糖域五(perlecan domain five,DV)。它能促進大腦完全自我修復,同時促進新血管的生長。比克斯向人工引發中風的白鼠體內注射DV,結果令人震驚。他說:“兩個星期后,你根本無法分辨它們得過中風。”

這些治療方法成為現實之前還有很長的路要走,但羅博充滿信心,相信在不久的將來,她的想法會轉化為治療皮膚傷害的方法。同時,雖然主要人工器官的出現還需要十幾年的時間,但如奧特及其他研究者斷言的那樣,基質會幫助治愈更多常見的身體損傷,如巴迪拉克等人所致力的肌肉、骨骼和組織修復。

隨著抗藥性細菌在醫院內外滋生繁衍,最簡單的皮膚傷害都有可能產生嚴重威脅,這也正是羅博的免更換繃帶的意義所在。羅博說:“現在,醫院可是個極為可怕的地方。”

 

編譯自:《新科學家》,Rebuild your body

轉自//www.guokr.com/article/437476/

 

 


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