人造器官大盘点

原一

人造器官家族可分为机械性人造器官、半机械性半生物性人造器官和生物性人造器官三大家族。生物性人造器官则是利用动物身上的细胞或组织，制造出具有生物活性的器官或组织，可分为异体人造器官和自体人造器官。下面让我们一起看看人造器官家族目前已经有哪些成员了吧。
2015年11月18日，《Science Translational Medicine》期刊发表了美国威斯康星大学内森·韦勒姆（Nathan Welham）的研究成果，其研究团队在实验室中成功培育了首个功能性声带组织，为人造器官家族又新添了一名新成员“人造声带”。随着科学技术突飞猛进的发展，医学界关于人造器官的研究已然初有成效，越来越多的人造器官出现在我们的视野里，美国生物学家、诺贝尔奖获得者吉尔伯特则认为，在50年内，人类将能培育出人体的所有器官。




图为实验室培养的尿道
在自然界中，缺失的器官再生并不稀奇，例如海星和蝾螈是众所周知的器官可再生的“超级动物”，然而海星和蝾螈并不是唯一器官可再生的动物，斑马鱼的心脏可再生，扁虫的头部也被证明可再生。那么对人类来说，失去的器官就永远失去了吗？还是别有说法？
在人体内，单个细胞因衰老被不停地替换，这样的过程持续于人类的一生，人类皮肤就是一个可再生的最常见的器官。根据美国化学学会的分析，事实上人类皮肤外层在每两到四周就会脱落一次，人类每年大约失去510克的皮肤细胞。
器官和身体部位的再生已经超越了人类生物学的范畴。但近年来，科学家们已成功地培养出了一些人体结构或人体类器官以及一些小型人体器官。
人造器官家族可分为机械性人造器官、半机械性半生物性人造器官和生物性人造器官三大家族。机械性人造器官是完全用没有生物活性的高分子材料，并借助电池作为器官的动力仿造的一类器官，如日本科学家使用纳米技术研制的人造皮肤和人造血管等。半机械性半生物性人造器官是利用电子技术和生物技术将人体活组织、人造组织、芯片和微型马达奇妙的组合得到的人造器官，如德国科学家研制的人造肝脏等。生物性人造器官则是利用动物身上的细胞或组织，制造出具有生物活性的器官或组织，可分为异体人造器官和自体人造器官。
下面让我们一起看看人造器官家族目前已经有哪些成员了吧。




柏林普朗克感染生物学研究所的科学家培育出了链接卵巢和子宫的人类输卵管的内层细胞层。研究人员于1月11日发表声明表示该细胞器可发展成为与输卵管尺寸与形状一致的器官。




美国俄亥俄州立大学的研究人员利用皮肤细胞培养了橡皮擦大小的大脑，其形状和基因组成与5周龄胎儿的大脑基因相似。研究人员于2015年8月18日在一份声明中表述，该器官拥有神经元信号传导的功能，如轴突和树突一样。




加州大学的研究人员将干细胞诱导发展成为心脏肌肉和结缔组织，组成微小的心房并能“跳动”，相关结果于2015年3月份发表于《Nature Communications》杂志上。研究人员表示，该技术可助于快速筛选治疗心脏出生缺陷的药物，并指导孕期药物的使用。




澳大利亚的科学家团队培育了微型肾脏，首次将干细胞分化形成含有三种不同类型肾细胞的器官，研究人员表示将根据正常肾脏的发展方式来培育该细胞器。在上图中，三种颜色代表了形成“肾单元”的不同种肾细胞。




一日前，研究人员成功开发了3D肺类器官，可发展成为支气管、气道结构或费囊。该研究作者密歇根大学医学院的内科医学、细胞和发育生物学教授Jason R. Spence表示，这些“小型肺”可模仿真实组织的应答，且可作为器官随疾病变化的研究模型，“小型肺”可在实验室中存活超过100天。




研究人员大约花了一个月的时间在培养皿中培养了“椭圆形、中空结构”类似于胃的器官。辛辛那提儿童医院生育生物学教授Jim Wells表示，该器官直径0.1英寸，可帮助科学家研究细菌所导致的胃部疾病的治疗。




2014年4月，发表于《柳叶刀》杂志上的论文表示成功移植了实验室培养的阴道，研究人员通过在阴道形状支架中利用患者的细胞来培养人工阴道。该技术曾于早些年用于4个女孩以及13-18岁的年轻女性身上，以纠正先天性阴道和子宫缺陷。接受该技术的青少年8年后进行了器官检查，结果发现移植的阴道正常运作，并可进行无痛性交。




维克森林再生医学研究所的研究人员利用兔细胞来培育阴茎勃起组织，并将实验室培养的阴茎移植到雄兔子体内，并能成功进行交配。然而该过程还属于实验阶段，要获得FDA批准还需进一步扩大研究，同时美国武装部队再生医学研究所也提供了资金资助。




俄罗斯库班国立医科大学的一组国际科学团队在食道支架上利用干细胞来培育能运作的食道，并将其植入10只老鼠体内，研究人员通过10000次充气和放气测试了其功效，结果发现培育的食道可取代20%的原始动物器官。




“人耳鼠”是先使用可降解材料经过耳形压模，聚乳酸（PLA）溶液浸泡使其强度增强，制成耳廓支架材料。让细胞在其支架上繁殖生长，再将细胞接种于支架材料，经过1-2周体外培养，在裸鼠背上割开一个口子，植入“人耳”。随后，“人耳”的支架会自己降解消失，“长”在老鼠的背上。





科学家通过在耳朵模型中将活细胞培育成人类耳朵，实现人类耳朵的3D打印。研究人员通过利用三维软件对儿童耳朵建模，并将建好的模型发送到3D打印机上，创建了耳型模具。有了耳型模具，科学家只要在其中注入活的耳朵细胞和胶原蛋白，便可打印出一只活生生的耳朵，科学家将打印出来的耳朵植入老鼠身上以检测其形状的变化。




肝脏是人体内最大的器官，可在适当的地方进行修复和再生。但在身体之外的地方，这种行为将面临巨大的挑战。目前科学家已证实很难培养肝细胞并保持其活性。德国及以色列的科学家首次在实验室成功培养出肝细胞，并于2015年10月26日在《Nature Biotechnology》杂志上发表了他们的研究成果。研究人员表示，尽管这还不是一个成熟的器官（或细胞器），但该研究给临床带来了重大的希望。





人造皮肤
作为人造器官中最成熟的一个品种，到目前为止，科学家已成功研制出多种人造皮肤，如来源于异体或异种(猪)皮的无细胞真皮基质、以胶原为主要原料经冷冻干燥后形成的海绵状胶原膜，此外，还有透明质酸膜、聚乳酸膜等，其基本特点是可诱导自体的组织细胞浸润生长，形成新的、结构规则的真皮样组织，从而重建真皮层。20世纪90年代以来，医学界已成功将复合皮用于大面积深度烧伤创面的修复，节省了伤者自体皮源，提高了就治率。这种人造皮肤直径约6厘米，厚度为2毫米，外形看起来就像张饺子皮。其来源于被割掉的、没有受过污染、最为纯净的新生儿包皮。这种将包皮的细胞消化、分离、培养后提取真皮组织和表皮组织，而后再将表皮细胞、真皮纤维细胞复合于牛胶原蛋白支架上重新长成的“人造皮肤”，不仅具有真皮层和表皮层，在色泽、质感、生物相溶性上也都实现了以假乱真。




人造血管
早期人造血管的研发要追溯到20世纪50年代。无缝人造血管于1952年首次投入使用，在大约50年的时间里取得了迅猛发展，为大动脉瘤等重大疾病的治疗提供了出路。
日本国立循环器官疾病研究中心日前宣布该中心成功研制出直径仅为0.6毫米的人工血管，是目前最细的人工血管，有望应用于脑和心脏的血管搭桥手术等领域。该中心一个研究小组利用胶原蛋白遇到进入体内的异物时会将其包裹的性质，将直径0.6毫米、长2厘米的外表被硅覆盖的不锈钢丝植入大鼠后背皮下，约两个月后取出，发现不锈钢丝周围形成胶原蛋白的管状物。研究人员将管状物移植到实验鼠大腿后，观察了约六个月，发现其发挥了人工血管的作用。




人造视网膜
健康人眼睛视网膜后的12.5亿个光感受体犹如世界上最精密复杂的数码相机，在一定的光线条件下，它们能够在10到12个数量级范围内工作。人造视网膜的工作原理是，利用安装在眼镜上的摄像头拍摄影像，通过可挂于腰上的装置将影像转变为电信号。该信号再通过耳后的装置传至已植入的电极，并借助对视网膜的刺激将视觉信号转达至大脑，最终形成视觉。2013年人造视网膜在美德等国已投入临床应用。
2015年7月，日本冈山大学松尾俊彦副教授和内田哲也副教授等人使用色素开发出人造视网膜，新开发的人造视网膜在吸收光之后，将转化为电信号的色素紧密地排列在聚乙烯薄膜上，电信号可以刺激神经细胞从而获得视觉。研究人员在因视网膜色素变性症失明两个月左右的大鼠眼睛里，植入了人造视网膜。将大鼠放入绘有黑白条纹模样的圆柱状墙壁中，然后按一定方向移动墙壁，发现移植人造视网膜的大鼠多次朝墙壁旋转方向转头，进而确认其已恢复视觉。视网膜的电流活动也变得活跃。




人造耳朵
2012年美国麻省总医院的科学家成功在实验室培育出人造耳朵，能够为伤残士兵等耳残者带去福音。这种人造耳朵可利用患者自身细胞培育，采取的方式是：利用患者的完好耳朵创建电脑模型，而后根据模型制造一个钛材料支架，外形与耳朵一模一样，上面覆盖骨胶原。随后，他们会从患者鼻腔或者肋骨之间提取一段软骨组织，将软骨细胞当成种子，播撒到钛支架。在实验室培养皿内培育大约两周后，钛支架生长出更多软骨。随后，研究人员从患者身上提取一块皮肤，缝合在支架上。




人造鼻子
2013年伦敦大学学院的科学家在一名因皮肤癌失去鼻子的男性患者手臂上培育出一个人造鼻子，科学家根据原有的鼻子制作一个玻璃模具，而后注入类似蜂巢的合成物质，为干细胞提供一个可以依附的支架，随后撤走模具。这个蜂巢式结构上面覆盖着数百万个干细胞，借助于合适的营养物质，它们可以发育成鼻子的软骨。同时，患者手臂上植入一个小气球，使得手臂皮肤逐渐被拉伸膨胀，直至看上去能够适应鼻子的皮肤。大约两个月之后，这个鼻子结构就已准备好了，移去植入皮肤之下的气球，将实验室培育的鼻子软骨移入手臂之中，在这里可获得匹配患者的神经和毛细血管网络。再经过至少3个月的时间，这个鼻子结构从患者手臂中移除，缝接在患者面部，整个手术过程不会留下任务疤痕。同时，手臂恢复了正常，皮肤缝合处也逐渐愈合。




人造骨
人造骨是一种具有生物功能的新型无机金属材料，它类似于人骨和天然牙的性质的结构，人造骨可以依靠从人体体液补充某些离子形成新骨，可在骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。人造骨植入人体内需要人体中的Ca2+与PO4 3-离子形成新骨。 而最新的“骨骼打印机”，利用类似喷墨打印机的技术，将人造骨粉转变成精密的骨骼组织。“骨骼打印机”产生的人造骨骼，除了精确仿真破损的骨骼区块，植入人体以后还能帮助受损的骨骼修补愈合。学者表示，这种人造骨骼会帮助受损的骨骼部位产生新的组织，甚至能促使血管再生，作用类似桥梁。人造骨骼的基本成分也与真正的人类骨骼相同，植入人体后，会被人体溶解吸收，不会影响健康。Barralet 表示，“骨骼打印机”产生的人造骨骼组织相当精细准确，未来整形手术、重建手术与脊椎手术都能因此获益。




人造胃
2006年英国科学家研制出一个完全模仿人体消化过程的高科技机械，这个由塑料和金属制成的装置是由英国某个食物研究所的Martin Wickham博士和同伴研制出来的。它经得起胃里的酸和酶的腐蚀，而且最终可能有助于科研人员开发出超级营养品，例如减肥食品，它们能使胃自以为“饱”了。人造胃由上下两部分组成，想一个巨型计算机。其上半部分是一个带有蓝色漏斗的圆筒容器，食物被倒入容器内。这里是食物、胃酸和消化酶混合的地方。一旦这一过程完成，食物就会在下面一条银制管子里被碾碎。这条管子装在一个透明盒子里。在我们真正的胃里，食物随后将被人体吸收。其中食物在胃里某个特定部位停留时间的长短、在不同阶段的激素反应等等，都是由电脑完成的。




人造肾脏
人造肾脏作为一种新的人造器官，已成功植入实验鼠体内，为将来开展人体器官移植奠定了坚实基础，为广大肾脏疾病患者康复带来希望。 13年美国马萨诸塞州总医院的科学家在实验中培育出一个肾脏并成功将其植入大鼠体内，在实验中他们首先用一种特殊的溶液将小鼠的肾脏细胞从肾脏中剥离，只留下了一种白色蜂窝状基质，这种胶原物质为此后肾脏的培育提供了一个“骨架”。而后，研究小组将取自新生大鼠的血管和肾脏细胞引入到上述“骨架”当中进行培育。12天后，这些细胞完全包裹住了“骨架”形成了新的肾脏。在这一切准备就绪后，他们将这颗在实验室中培育的肾脏植入一只大鼠体内，结果发现新植入的肾脏实现了原有肾脏的功能，能够成功过滤血液、产生尿液。




人造肝脏
2006年英国科学家从刚出生的婴儿脐带内取出血液，分解出干细胞，用干细胞培植出首例人造肝脏。同年，日本冈山大学的研究人员利用小白鼠胚胎干细胞培育出生物“人造肝脏”，这种人造肝脏植入肝功能衰竭的小鼠体内后，可使小鼠肝脏功能恢复正常。
2013年新加坡科技研究局属下的生物工程与纳米科技研究院的科研人员利用含植物成分的中粘度羟丙基纤维素，研制出与人体肝脏细胞功能高度相似的“人造肝脏”，可及早测出新药品的毒性，从而降低生产成本。研究人员认为，“人造肝脏”是首个能够敏感预测肝脏对药物长期反应的测试模型，可助制药公司在早期阶段发现新药物的毒性，“从而加速新药品的研发，有效降低成本，对药品制造公司和消费者都有利”。




人造肌肉
人造肌肉的研究开始于20世纪40年代，但真正取得进展则是最近10余年的事， 人造肌肉又是一种新型智能高分子材料，它能够在外加电场下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。2008年美国加州大学洛杉矶分校的研究人员制造出了一种人造肌肉，它能够自我愈合还能够储存电能给类似于iPod之类的移动设备充电。随后美国科学家利用生物仿生学成功研制出一种最新式的有“生物马达”之称的人造肌肉和装置，这种“生物马达”将极大的提高残疾人假肢的活动功能，有助于医学治疗神经肌肉型疾病，例如帕金森氏症。




人造心脏
1982年，美国犹他大学医学中心的威廉·德夫里斯博士领导的一个手术小组，给一名叫克拉克的心脏病患者植入第一个人造心脏，开创了人造心脏移植的先河。2006年美国丹佛无机医药公司研发出全植入永久性人造心脏“阿比奥科”，由4个部分组成，即金属钛制成的心脏本体、一个微型锂电池、一个计算机操纵系统以及外接电池组。人造心脏本体可取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔，用以提供动力。外接电池组可通过安装在腹部皮肤下的能量传输装置对微型锂电池进行充电。




人造大脑
奥地利科学院的研究人员用来源于人类皮肤的干细胞培养成微型的脑类似器官——迷你大脑。该结构虽然没有任何成熟的生理结构，但是可以成为一个潜在的研究大脑发育和认知功能障碍的模型。在这项最新研究中科研人员首先将干细胞置于人工凝胶上培养成功能更加强大、结构更加复杂的，与人体大脑和身体其他部位的天然结缔组织十分相似的神经组织。然后科研人员将新生成的神经团块结构置于含有氧气和营养成分的培养液中。利用显微镜观察这个迷你大脑，科研人员发现了彼此相互作用而又离散的大脑区域，但是没有任何成熟的生理结构。




人造子宫
Hung-Ching Liu博士是美国康奈尔大学生殖医学和不育症研究中心的负责人。从2001年起，她的实验室开始以取自人体子宫内膜的细胞为基础培养单片人体组织。最初的细胞是由不育症患者捐赠的。人造子宫是试管授精研究带来的一个副产品，研究它的目的同样是为了帮助那些不育夫妇。研究人员先筑造出一个支架—也就是用可以生物分解的胶原质和软骨素制成的子宫形状的培养床，然后在上面“播种”子宫内膜细胞。过了一段时间之后，用作支架的物质分解掉，就剩下了覆盖在上面的子宫内膜组织。人造子宫的形状就像是它所模仿的哺乳动物子宫的一部分—人造人类子宫是碗形的，而人造老鼠子宫则仿照老鼠的管状子宫做成了面包圈的形状。




人造声带
近期，美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家们研发出首个功能性声带组织，研究人员采集捐赠的声带组织，提取声带粘膜细胞。以胶原蛋白为支架，与粘膜细胞组合，在实验室培育、诱导两周时间，形成类似于正常人的声带组织，约16mm长、1mm厚。再生的声带组织有正常组织类似的粘性和弹力，每秒能振动1000次。为测试其功能，研究人员摘取狗（已去世）的喉咙组织，将声带组织植入其内，再与人工气管相连，用温暖潮湿的空气穿其而过。结果显示，再生组织会随空气振动而发出声音，但是声音单调且机械。研究人员解释，这是因为正常人的声音还需要与其他身体结构共同调制，例如口腔、喉咙

小王医生

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千里行舟

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