当人们叫她科学怪人时， 多里斯•泰勒没有把这当成是一种侮辱。“这实际上是我获得过的最大的称赞。”泰勒认为，这是对她的研究正推动着可能性边界扩展的肯定。由于泰勒目前正在担 任休斯顿德克萨斯心脏研究所再生医学研究主任一职，所以就连她自己都承认，将她比喻成科学怪人也并非言过其实。平日里，她定期从刚去世的人身上取下如心脏 和肺这样的器官，从细胞水平重新对这些器官进行设计，甚至尝试着将它们重新植入生命体，期望它们能够在生命体中重新跳动或开始呼吸。
科学家试图制造一个完整新器官以期解决移植物免于被受者免疫系统攻击的问题，而泰勒正是这些先驱者中的一员。解决 这个问题的策略大体上是十分简单的：首先移除取自尸体的器官组织细胞（这个器官甚至不一定是源自人类）后，保留原器官的蛋白支架，再把该器官与免疫上和待 移植病人相匹配的干细胞一起重新植入。瞧！困扰全世界的移植器官紧缺的问题就这么解决了。
然而，这样一个看似简单的过程却充满了挑战和难关。研究者们已经成功培育和移植了诸如气管和膀胱这种相对简单的空 腔器官，但是培育实质性器官，如肾脏或肺，却意味着要使许多种细胞类型精确地生长在正确的位置，同时培育相匹配的血管网络以保持这些细胞的生存活力。另 外，这个新的器官不但必须是无菌的，而且，如果待移植病人很年轻，那么随着病人的年龄的增长，这个器官也得相应生长。如果这些做不到，那至少这个器官的组 织能够进行自我修复。最重要的是，理想情况下它们必须能够“终生工作”。
心脏是需求量第三大的器官，仅次于肾脏和肝脏，在美国就有大概3500个人在等待着接受心脏移植。然而，心脏的再 造对移植和生物工程学提出了更大的挑战：心脏必须持续跳动，每天泵出7000升血液。组成心脏腔室和瓣膜的细胞称为心肌细胞，而这种细胞是来源于各种不同 的分化肌细胞。目前，来源于捐赠的心脏器官非常少，其中的原因就在于心脏通常会被疾病或复苏术破坏。但也正是由于这个原因，如果将来生物工程学能够制造出 一个可以稳定供应的器官，那么将会受到无比热烈的欢迎。
泰勒曾领导了一些最早的成功建立小鼠心脏的试验，她对于这种组织工程的终极挑战持乐观态度。“我认为这是非常可行 的，”她马上补充道，“当然这也并不简单。”但是，一些同行就不那么乐观了。保罗•玛奇阿林是斯德哥尔摩卡洛琳斯卡医学院的胸外科医师和科学家。他已经给 几个病人移植了生物工程学气管。他说虽然组织工程能够成为替换诸如气管、动脉及食管等管状结构的常规方法，但他对于利用组织工程构建更为复杂的实质性器官 却并不看好。
但是宾夕法尼亚州匹斯堡大学的研究员兼外科医生亚历杭德罗•索托古铁雷斯说，即使失败，我们也应该觉得虽败犹荣， 因为这些尝试是值得为之努力的。他说：“除了制造用于移植的器官，我们也能从这些研究中学到许多。”因为，在一系列的科学研究过程中，我们对心脏细胞组织 方面的基础知识将会有一个更好的理解，对于如何植入心脏也会有新的见解。
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搭建心脏的骨架
十几年来，生物学家们已经能够把胚胎干细胞转化成能够在培养皿中跳动的心肌细胞。在外接小型电动心脏起搏器的帮助下，这些生物工程学心脏细胞甚至能够步调一致地持续跳动几小时。
但是要从培养皿中的细胞构建成一个工作的心脏，我们还需要有一个能够将细胞组织成三维结构的支架。同时，我们也相 信，研究者们可能最终能创造出这样的三维结构——正如已经造出的人工气管一样。然而在可预见的未来，就连最复杂的仪器也无法制造出人类心脏的复杂结构。另 外，毛细血管网为心脏提供氧气和营养并且带走内部组织代谢废物，而这样复杂的毛细血管网却尤其难以实现。虽然来自北卡罗莱纳州威斯顿塞勒姆维克森林大学的 泌尿科医师安东尼•阿塔拉曾经为病人成功移植了生物工程制造的膀胱，并正致力于制造肾脏，但他依然明确表示“血管是最大的挑战”。
心脏再造工程师通常会选择利用“半合成”的方法来克服这种复杂性。要想看到这种方法的具体做法，来自波士顿马萨诸塞州综合医院的外科医生——再造医学研究者哈拉尔德•奥特，展示了他在泰勒门下培训时发展的方法。
在由玻璃和塑料制成的腰鼓形容器中，用塑料棒悬浮固定一颗新鲜的人类心脏，旁边是一个通过一根管子缓缓将清洁剂注 入心脏主动脉的泵。水流迫使主动脉瓣膜关闭，并将清洁剂注入供肌肉营养的血管网中，这一过程会持续到供体死亡后的几天。奥特解释说，整个过程大约持续一 周，清洁剂将洗去脂质、DNA、水溶性蛋白、糖分以及几乎所有其他源自于心脏的细胞成分，只留下一个苍白的网状的胶原蛋白、层粘连蛋白和其他结构性蛋白， 而这些蛋白正是将器官连接在一起的细胞外基质。这样也就形成了我们所说的“支架”。
但是，心脏的支架不一定源自人类。猪心脏也是很有应用前景的：它拥有所有细胞外基质的重要成分，但却不太可能携带 人类疾病，并且它们的心脏极少会因为疾病或心脏复苏术而被削弱。比斯堡大学再生医学研究院的斯蒂芬•巴迪拉克说：“猪组织比人类的更安全，并且有近乎无限 的供应。”
然而，奥特认为最棘手的部分，是确保清洁剂能够正确地溶解、去除不需要的部分。去除的太少，基质中残留的细胞表面 分子会引起受体免疫系统的排斥；去除的太多，就会丧失重要的蛋白和生长因子，而恰恰是这些物质指导着新生成的细胞应该粘附在何处以及如何作用。马里兰州哥 伦比亚ACell是一家生产用于再生医学的细胞外基质产品的公司，在那里研究去细胞化的托马斯•吉尔贝特说：“如果你能够使用一种更温和的试剂和更短的时 间，你将得到的是更高效率的重铸反应。”
历经反复试错，反复调整清洁剂的浓度、作用时间和水流压力，研究者们已经改善了上百个心脏和其他器官的去细胞化过程。这可能是器官再生行业最为领先的一步，但这又仅仅是第一步，接下来还需要将人类细胞重新植入支架。
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填充心脏细胞
伊利诺斯芝加哥西北大学费恩伯格医学院的外科医生杰森•韦特海姆表示，在“去细胞化”之后，我们还需要“重新细胞 化”，而这又产生了一系列新的挑战。他说：“第一，我们使用什么细胞？第二，用多少细胞？第三，应该使用成熟细胞、胚胎干细胞还是诱导多能干细胞？哪个是 最合适的细胞来源？”
至少，我们可以说，使用成熟细胞是不太可能的。泰勒说：“目前我们还不能将成人心肌细胞进行扩增，如果可以的话，我们就根本不用谈这个问题了。”其中的道理也非常简单，如果受损的心脏能够自我修复的话，那么我们就不需要进行移植了。
该领域的大多数研究者们都会使用两种或更多的细胞类型：如使用内皮前体细胞制造血管、利用心肌祖细胞来再生心腔 壁。奥特一直从诱导多能干细胞获得这些细胞（诱导多能干细胞是指利用生长因子重建的一种胚胎干细胞样的成人细胞），因为这些细胞可以从有需要的病人那里获 得，并可以有效避免免疫排斥的问题。
从理论上讲，诱导多能干细胞法可以提供新心脏需要的全部细胞类型，包括血管细胞和多种心肌细胞。但在实践过程中它 也有自己的问题。其一，便是人类心脏庞大的体积。严格意义上说，心脏细胞的数量甚至被严重低估了。奥特说：“制造上百万的细胞首先就是一个问题；要制造一 亿或500亿个细胞那便是一个更大的问题了。”另外，目前研究者们还并未明确，当使用诱导多能干细胞在成人心脏支架上模拟胚胎发育过程时，细胞是否能分化 成正确的细胞类型。
植入未成熟的细胞后，它们中的一些便会“生根发芽”，并慢慢“占领”整个支架。但是，要想使它们变成有功能且能够 跳动的心肌细胞，需要的不仅是富氧培养基和生长因子。明尼阿波利斯市明尼苏达大学的安吉拉•帕诺司格尔西斯•莫塔瑞一直在进行肺移植的研究，她表示：“细 胞不仅能够感知周围的环境（如生长因子等），它们还能感受到硬度和机械压力，而这些压力也参与了促使细胞向着正确方向分化的过程。”
基于以上原因，研究者们必须将心脏置于模拟跳动感觉的生物反应器中。奥特的生物反应器利用一系列电信号（类似于起 搏器），同时结合由泵产生的物理跳动动作，使种在支架上的跳动心肌细胞同步（见“CUSTOMIZED ORGANS”）。但是研究者们在模仿人体环境时还面对着一场持久战，如心率、血压以及药物方面的挑战。巴迪拉克说：“身体能够对环境中的事物快速做出反 应并调整自身状态，而在一个生物反应器中模拟这种能力几乎是不可能的。”
为了将鼠心脏去细胞化以及重新细胞化，当时泰勒和奥特最开始建立生物反应器时，都是在一边进行试验一边不断摸索和 学习的。但是最终，经过生物反应器中8到10天的培养，心脏能够独立跳动，大致能够产生相当于一个正常的成年鼠2%的心脏泵送能力。泰勒说，虽然她还没有 把数据公布出去，但她已经能够使鼠甚至更大的哺乳动物的心脏泵出正常量的25%左右。她和奥特都坚信，他们的努力方向是正确的。
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让心脏跳起来
最后的挑战也是最难的部分之一：将一个全新的工程心脏置于动物活体，并且让它持续跳动一段时间。
脉管系统的完整性是第一个难关。任何漏洞都可能产生对器官或动物致命的凝血点。吉尔伯特说：“每一根血管内都需要一层非常紧密的内皮细胞，否则就可能会有凝血或者出血。”
奥特已经证明人工器官能够在小鼠体内存活一段时间。他的团队已经将一个生物工程肺移植到小鼠体内，结果表明这个肺 可以进行气体交换，但是气腔部分很快被体液所填满。另外，奥特的团队今年早些时候报道，工程鼠肾脏移植能够存活且没有凝血，但是只有最基本的滤尿能力，可 能是因为过程中没有制造出足够多的维持肾脏功能所必需的细胞类型。奥特的团队已经将重新构建的心脏植入鼠体内，移植部位通常是在颈部、腹部或者就在动物自 己心脏的旁边。但是虽然研究者们能够给器官供血并使其跳动一段时间，却没有一个心脏可以承担泵血功能。所以，如果科学家们想要将再造心脏植入比鼠更大的动 物体内，那么他们得先证明植入的心脏可以更好地行使泵血功能。
巴迪拉克说，你必须从将心脏植入的那一刻开始“就让它很好地行使功能”。根据泵出率的常规测量法，他说：“你不能 制造一个只有1%〜2%或5%正常输血量的心脏，还期望它能正常工作。”移植再生心脏不容有一点失误。“我们还停留在初级阶段，” 帕诺司格尔西斯•莫塔瑞说：“我们还停留在几十年前心脏移植的阶段。”
奥特等人所发明的去细胞化过程为改良活组织瓣膜、心脏的其他部分和其他器官的发展带来了一个新的前景和希望。例 如，一个生物工程瓣膜可能比机械的或死亡组织瓣膜维持更长时间，因为这种瓣膜具有随病人一同生长和自我修复的潜力，而且其他器官可能并不需要完全替换掉。 巴迪拉克说：“如果在未来5年〜7年间，你看到有病人移植的仅仅是动脉的一部分，或者是一片肺叶，或者一片肝叶，我并不会感到非常惊讶。”
这些努力还可以为心脏的细胞疗法提供更多的经验或者教训。例如，研究者们可以了解到心脏细胞如何在三维结构中进行 分化和行使功能。未来，人工合成的或来自于尸体的部分支架能够允许新细胞植入心脏的部分受损区域并且像补丁一样自我修复。真正做到“哪里缺，补哪里”，而 不需要将整个器官完全替换掉。
罐子里漂浮着幽灵般的人体器官，这可能看起来更像科学怪人故事的再现。但是泰勒依然坚信自己的工作充满着爱。泰勒 说：“有一天我会说‘天哪，我搞了个什么鬼东西？’而另一方面，正因为这个鬼东西，一个孩子充满感激地对你说，‘你可以帮帮我的妈妈么？’那么这一切都是 值得的。”
(作者：赵永刚、李秋实)
参考文献：《Nature》2013;499:20-22