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未來人類寶寶或可通過3D打印的子宮出生

                                                                            2017-06-10

 

 


  發著綠光的小老鼠蹲在鼠媽媽身邊,看上去就像貨架上的兒童玩具。但它會抽抽鼻子,甩甩尾巴,用黑溜溜的圓眼睛看著你。盡管有著半透明的熒光軀體,它仍然是一只貨真價實的老鼠寶寶。

  比起特殊的皮毛,它的來曆更加不同尋常——這只色彩炫目的熒光小鼠,是3D打印的卵巢排卵孕育的。

  “這表明生物的卵巢具有長期的、持久的功能。”實驗負責人特蕾莎·伍德拉夫說。她是位生殖科學家,也是美國西北大學范伯格醫學院的女性健康研究所主任。“使用生物工程替代器官移植,創造器官結構功能,並恢複組織的健康,這是再生醫學生物工程的聖杯。”

  “再生醫學”這門新學科,從名字到研究目標,都充滿了濃濃的科幻感。研究者用3D打印技術制造過氣管、脊髓、子宮內膜,現在正在試圖打印心髒或肝髒。

  “在再生醫學領域,中國的一些項目目前處於世界前列。”中國科學院遺傳與發育生物學研究所再生醫學研究中心(以下簡稱再生醫學研究中心)主任戴建武對中國青年報·中青在線記者說。

  戴建武的團隊從事再生醫學研究10餘年。從2013年起,他們與南京鼓樓醫院合作,用幹細胞複合功能支架材料,修複瘢痕化的子宮內膜。最新的數據是,已經有13名女性,生下了14名健康的寶寶,另有6個胎兒正在孕育中。

  也許有一天,人類寶寶會通過3D打印的子宮出生

  在美國西北大學的實驗室裏,7只雌鼠被摘除了卵巢。伍德拉夫團隊給這些卵巢消毒,隨後保存了卵巢組織,並分離出支持不成熟卵子的激素生成細胞。

  3D打印機開始工作,一種水凝膠作為基本材料,用於打印出小鼠卵巢的基本結構。隨後,伍德拉夫和她團隊中的研究者,將之前分離出來的雌鼠卵泡,填充進剛打印出來的卵巢裏。卵泡已通過基因編輯注入綠色熒光蛋白,新生的小鼠將擁有炫目的熒光,和其他小鼠區分開來。

  這些由生物材料制成的卵巢,被外科手術移植回小鼠體內。最終,受試母鼠生出了幼崽,甚至順利分泌出了乳汁。

  這項實驗由西北大學麥考密克工程與實用科學學院和西北大學范伯格醫學院聯合開展,團隊的成員全是女性。實驗結果發表在2017年5月16日的《自然-通訊》上。

  在一個全女性團隊中參與研究女性健康問題,讓助理教授瑞米爾·沙阿很受激勵。她感慨團隊成員表現出的幽默感:“特蕾莎和我開玩笑說,我們是這些幼崽的祖父母。”實驗的結果也讓很多人覺得,也許有一天,人類的寶寶也會通過3D打印的卵巢和子宮出生。

  在世界范圍內,恢複女性的生育能力目前已成為再生醫學的主要目標之一。

  5月21日,南京鼓樓醫院與中科院遺傳發育所聯合組織了一個“愛與希望”親子聯誼會,14位“再生醫學寶寶”中的8位參加了活動。

  14個寶寶當中最大的已經快3歲了,最小的還未滿月。在成為戴建武團隊再生醫學研究的臨床受試者之前,這些孩子的母親,都因為重度子宮腔粘連、子宮內膜瘢痕化等疾病,常年奔波在求醫的路上。

  據再生醫學研究中心介紹,目前,我國女性不孕症患者約2500萬人,子宮腔粘連等子宮內膜損傷患者佔很大比例。子宮內膜瘢痕化、供血不足,最終會導致受精卵無法著床發育。重度患者在臨床上會被判定為終身不育。

  “我們的這項技術,是利用膠原蛋白作為支架材料,複合患者自體骨髓幹細胞,或中科院北京幹細胞庫的臍帶間充質幹細胞,進行瘢痕化子宮內膜的修複。”戴建武介紹。

  在內窺鏡的鏡頭之下,幹細胞和生物材料開始在子宮裏原本斑駁不平的創面上生長和修複,瘢痕的部分逐漸被填滿、撫平。

  幾個月過去,瘢痕消失,內膜上長出了新的腺體,受精卵開始著床。2014年7月,國內第一例“再生醫學寶寶”出生了。

  血液開始流通,卵細胞發育成熟並排出,荷爾蒙開始循環

  戴建武很早就開始關注美國西北大學的熒光小鼠實驗。

  “在技術上,我們目前也是可以做到的。之所以沒有做,是考慮到這個實驗在臨床上意義其實不大。”戴建武解釋,盡管小鼠的卵巢是以3D技術打印的,但是卵巢裏面塞著的卵泡,以及各類能產生卵細胞的激素成分,實際上都是從小鼠原有卵巢中提取出來的,原本就生殖功能完好,並不存在病理性問題。

  在他看來,這個實驗“在目前的臨床應用中價值不大”。他在臨床上遇到的不孕不育患者,卵巢往往都不具備完整的功能。用3D打印雌鼠卵巢,並沒有對再生醫學的瓶頸和難點實現真正的技術突破。

  “再生醫學現在真正的難點,是微環境的調控問題。意思是,我們怎樣讓幹細胞在人體之內,按照我們設定好的程序,不受幹擾地長成我們想要的組織或器官。這個問題,目前全世界都沒有解決。”戴建武說。

  目前,幹細胞可以在實驗室中,被分化成神經細胞、皮膚細胞等各種臨床所需要的功能細胞,但如果在人體內培植,就很容易受到人體產生的各種誘導分子的幹擾,一不小心就“長歪了”。

  在體外培植的器官,就算是使用同樣來源的幹細胞來培育,移植回體內的時候,仍然需要適應。戴建武舉了個例子:“就像自家的孩子打小在外面養著,大了才抱回來,和家人肯定會有隔膜。”

  伍德拉夫和她的團隊也承認,打印小鼠的器官,距制造人類器官還有一段距離。人類的卵巢遠遠大於老鼠的卵巢,結構也更加複雜。目前使用的材料,如果要支撐打印人體器官,強度仍然不夠。

  在瑞米爾·沙阿看來,熒光小鼠實驗中,真正與眾不同的部分,是3D打印中所使用的“墨水”,也就是支架和材料的結構。她們使用的是生物性水凝膠,這是一種安全的生物材料,由被破壞的膠原蛋白制成。

  “大多數水凝膠都很脆弱,因為它們大部分是水,而且往往會自行坍塌。”沙阿說。伍德拉夫團隊找到了一個恰當的實驗溫度,在這個溫度下,實驗中所用的水凝膠能夠自我支撐而不會崩塌,這使得多層結構的形成成為可能。“這是第一個證明支架結構對卵泡生存有影響的研究。”

  在美國西北大學的實驗室裏,研究者開始用這些水凝膠“墨水”,給小鼠的新卵巢搭建“腳手架”。它被編織成一層層交錯的結構,中間的空隙用來留給細胞通行,以便將來跟小鼠的體細胞相結合。她們小心翼翼地控制著這些水凝膠細絲之間的距離,控制層間的前進角度,打印出不同的孔隙大小和不同的孔隙幾何形狀。

  當3D打印出的卵巢被小鼠的體內循環系統接納後,這些孔隙成為交流的通道,血液開始流通,卵細胞發育、成熟、排出,荷爾蒙開始循環。

  最終,7個人工卵巢裏,有3個讓受試小鼠正常懷孕,生下了那些熠熠生輝的幼鼠。

  未來,人類的器官就像壁虎的尾巴一樣

  對伍德拉夫來說,實現生育功能,並不是她的團隊對卵巢進行研究的最終目標。給老鼠移植3D打印的卵巢,也僅僅是她們團隊研究的一個開始。

  “我們的想法是,一個年輕的癌症病人接受化療前,將她的卵巢組織提取出來,分離卵泡。當她的癌症被治好了,我們可以給她打印一個新的卵巢。” 伍德拉夫在接受媒體采訪時說,“婦女的醫療保健需求,遠遠超出了生殖系統的范圍,涉及所有醫學領域。現在是時候將這一基礎科學知識,納入到全國最全面的婦女醫療計劃中去了。”

  她發現,很多人認為卵巢僅僅是具有生育能力的,但卵巢其實是“女性健康整體體系的一部分”。2006年,伍德拉夫創建了女子健康研究所,致力於推進基於性別的生物學領域發展。

  對幹細胞和組織工程等領域的研究,正推動著再生醫學的發展。對研究者來說,未來的目標,是希望人類的器官就像壁虎的尾巴一樣,砍掉了,原處會長出一個新的來。

  “再生醫學的前景很可觀。未來有一天,或許需要什麼器官,就能用幹細胞制造出來。” 解放軍總醫院(301醫院)的陳海旭博士對中國青年報·中青在線記者說。在陳海旭所在的研究團隊,利用自體骨髓幹細胞治療I型糖尿病的研究,已經到了臨床試驗階段。

  這項技術還能用於治療Ⅱ型糖尿病患者後期並發症,由於組織修複能力減退,傷口時常不易愈合。基於再生醫學的療法能夠促使創面愈合,幹細胞被用於促進新生血管的生成及血流供給,改善下肢缺血的症狀。

  陳海旭博士還提到了一種利用自體骨髓幹細胞治療潰瘍性結腸炎的方法。他們在腸鏡下,將幹細胞移植到結腸黏膜的潰瘍周圍。90多天後,他們觀察到,和患者糾纏了3年多的頑固性潰瘍,已經基本愈合了。

  中科院再生醫學研究中心最新的成果是,利用智能生物材料構建微環境,對受到損傷的脊髓神經進行修複。戴建武研究團隊設計和制備了適合脊髓損傷修複的有序神經再生膠原支架,引導神經細胞有序生長。這項研究已經於2015年1月進入臨床實驗階段。

  再生醫學涉及的3個概念,包括幹細胞、生物材料和細胞中的生長因子。2008年6月,一位西班牙患者接受了世界首例自體幹細胞培育的人工氣管移植手術,恢複狀況良好。當時采取的方式,是將患者的自體幹細胞,與其他捐獻者的氣管組織在模擬環境的生物反應器中一起培養,最終移植。

  3D打印技術的發展,給了再生醫學研究者新的體外器官構建思路。理論上,基於3D生物打印出的器官,可以完美定位細胞,最終打印出功能完備的組織器官。

  伍德拉夫實驗室也有很多“瘋狂的計劃”,其中之一,是尋找一種“能創造持久器官的材料”,既可以“快速固化成型”,又能“符合組織器官相應的力學強度”,還可以與人體環境良好相容。接下來,她們准備打印“迷你豬”的卵巢。

  “這在未來,不會太遙遠。”伍德拉夫仍然保持樂觀,“也許距離人們不到10年的時間,只是我們還沒有到那裏。”

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