终于成功了!《Science》子刊:人工肺成功移植入大型动物体内

科学
终于成功了!《Science》子刊:人工肺成功移植入大型动物体内
麻省理工科技评论 2018年8月10日

2018年8月10日

目前世界范围内的器官再生组织领域均面临一个令各国研究者头痛的问题——如何在人造的组织器官内嵌入数量庞大且细小的微血管系统。
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目前世界范围内的器官再生组织领域均面临一个令各国研究者头痛的问题——如何在人造的组织器官内嵌入数量庞大且细小的微血管系统。

目前世界范围内的器官再生组织领域均面临一个令各国研究者头痛的问题——如何在人造的组织器官内嵌入数量庞大且细小的微血管系统。

为了深入了解再生组织器官内微血管系统植入的相关影响因素以及促进人造组织器官的发展,来自德克萨斯大学医学分校(University of Texas Medical Branch,UTMB)的 Joan E. Nichols 博士通过组织工程人造肺的猪实验,成功解决了微血管的世界难题,同时也将人造肺成功植入实验猪体内。

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该项目负责人 Joan E. Nichols 博士是德克萨斯大学医学分院加尔维斯顿国家实验室的教授兼中心副主任。自 1985 年以来,她一直参与研究微生物致病菌对人体免疫反应变化的研究项目。同时使用成人和胚胎干细胞以及组织工程技术来生产人类离体类组织器官。通过这些类组织器官,她所在的研究中心可研究疾病发病机制和人类对呼吸道病原体的反应。

先前人工肺的构建已经实现将在无细胞肺支架上产生的全生物工程肺(BELs)移植到小动物模型中,但由于血管内凝血和内皮屏障功能缺陷,导致动物模型出现肺水肿和呼吸功能衰竭。移植后没有可取的方法使 BELs 长期保持活性并维持实验动物的长期存活。

气体被动扩散实验证明,非血管化肺在没有血管支持的情况下可以存活一段时间。Nichols博士使用从左肺全肺切除术分离的自体细胞产生 BELs,首先从活体的肺中提取各种细胞,如对血管生成有促进作用的间充质细胞。然后将这些细胞种植到特殊的无细胞肺支架上,在这一支架上“培育”出全新的肺组织,同时对相应的转录因子加以调控进而促进肺内微血管系统的生成。

长期组织工程培养的另一大问题就是不可避免的污染,尤其是肺组织的重建,由于肺组织需要长期进行气体交换,在新重建的生物肺中出现细菌病毒等污染十分常见。为此,Nichols 博士率领其研究团队在重建肺泡及微血管系统的同时,在整个全肺重建过程中也重建了组织工程肺的免疫系统,以此来抵抗各种病原体的感染。

迄今为止,再生领域仅设计并培育出了少数的几个组织器官。这项工作不仅需要对组织器官本身进行生物工程培育,还需要对维持这些组织器官长时间存活且发挥正常功能的维持系统进行工程化培育。该研究最大的意义在于开发出基于生物工程肺的微血管系统,最终的实验结果表明在所有存活 2 周的实验动物体内移植的工程肺均观察到了血管侧枝循环的产生。

同时在各个研究时间点的移植动物模型上,并未观测到以血管周围和内皮下单核浸润或淋巴细胞性支气管炎和细支气管炎为特征的急性肺组织免疫排斥。在整个无菌性工程肺的植入过程中,研究者借此机会对肺部原生的微生物菌群的演变产生过程有了更加深入的了解。这些发现代表了移植生物工程学的重大进展。

虽然这一研究在组织培养领域有重大的意义,但其研究本身也存在一些局限性。

第一个局限性在于移植实验动物的数量不足,无法满足相关基因检测的要求。因此,Nichols 研究团队只能从其他研究结果中寻求基因检测结果的支持。

另一局限性在于在进行BEL 移植后,实验动物的观察研究时间仅为 2 周。应该在此基础上尽可能延长观察研究时间,以评估在完全依赖移植肺条件下实验动物的存活情况。

因此,未来的研究将集中在如何保持 BEL 在体内持续存在和通过肺动脉和肺静脉建立整个工程肺的血流灌注。

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