開發多種人工組織有望改善人類健康 加速人類疾病研究

近日，來自上海交通大學和北京整形外科醫院的科學家們通過聯合研究為小耳畸形的患兒開發出了新的耳朵，近些年來，科學家們在人工組織/器官的開發上取得了眾多突破性的研究進展，本文中，小編對相關研究進展進行整理，分享給大家！

【1】Cell Rep：重磅！科學家有望開發出人工腎上腺組織 未來可成功治療腎上腺疾病

doi：10.1016/j.celrep.2018.01.003

近日，來自倫敦大學瑪麗女王學院的研究人員成功利用尿液中的細胞邁出了製造人工腎上腺的第一步，相關研究刊登於國際雜誌Cell Reports上，未來科學家們或有望開發出治療腎上腺疾病的新型療法。

腎上腺位於腎臟上端，主要負責釋放不同種類的激素，當腎上腺產生的激素水平過多或過少時就會發生腎上腺疾病，從而就會影響機體的生長、發育和代謝功能。研究者Leonardo Guasti說道，這項研究中我們向製造人工腎上腺的目標邁出了一步，我們相信相關研究未來將會使腎上腺功能減退的患者獲益。

與其它內分泌領域相比，如今再生醫學應用於腎上腺疾病的應用被很多科學家們忽視了，比如為了治療1型糖尿病，研究人員需要很大的努力來開發出功能性的胰腺，而這項研究中，研究人員就填補了科學界在腎上腺疾病治療中的空白。文章中，研究者首先描述了如何從先天性腎上腺疾病患者和健康個體的皮膚、血液和尿液中分離開發產生類固醇的細胞，研究者將這類細胞稱之為人類誘導類固醇合成細胞（hiSCs），該過程通常稱之為重編程。

【2】人工神經元的計算速度或遠超人類大腦！

doi：10.1126/sciadv.1701329

1月26日，刊登自Science Advances雜誌上的一篇研究報告中，來自美國國家標準與技術研究所的研究人員開發出了一種以神經元為模型的超導計算晶元，相比人類大腦而言，其能夠更加高效快速地對信息進行加工處理，這或許將成為科學家們開發先進計算設備來設計模仿生物系統的一項主要基準，儘管在其商用之前還存在許多障礙，但這項研究為更多自然機器學習軟體打開了一扇大門。

如今，人工智慧軟體能夠越來越多地開始模仿人類大腦，而諸如谷歌公司的自動圖像分類和語言學習程序等演算法也能夠利用人工神經元網路來進行複雜的任務，但因為常規的計算機軟體不能被設計地運行大腦一樣的演算法，因此相比人類大腦而言，這些機器學習就需要更多的運算能力。

物理學家Michael Schneider表示，肯定會有更好的方法，因為大自然都能夠找到更好的辦法（意指人類起源），如今美國國家標準與技術研究所的研究團隊正是其中一個研究團隊，他們想通過研究開發能夠模擬人類大腦的神經形態硬體（Neuromorphic Hardware），同時研究人員希望這種神經形態硬體能夠更加有效地運行大腦樣的軟體，在常規的電子系統中，晶體管常常會以一定的間隔和精確的數量來處理信息（二進位數字0或1），但神經形態硬體則能夠從多個來源積累少量的信息，並且改變這些信息使其產生一種不同類型的信號，並在需要的時候發射一股電力，就好像神經元放電那樣，因此這種神經形態硬體則會需要更少的能量來運行。

【3】EbioMedicine：重磅！中國科學家首次成功培育出「人工耳朵」

doi：10.1016/j.ebiom.2018.01.011

近日，一項刊登在國際雜誌EbioMedicine上的研究報告中，來自中國上海交通大學和北京整形外科醫院的研究人員通過種植並且植入軟骨首次為患者製造出了新的耳朵，文章中研究人員描述了這種新耳朵製造的過程以及這種人造耳朵如何有效治療年輕患者的相關疾病。

參與本研究的為6名患有小耳畸形的兒童，這些患兒均6歲以上，主要表現為耳朵停止生長，其中一名患兒的耳朵無法正常發育或根本不發育。研究人員從每名患兒未完全發育的耳朵中移取軟骨細胞，隨後等待3個月使其生長成為新的耳朵軟骨組織以供移植，利用PCL（聚已酸內酯）網格作為內基，取自軟骨組織中的細胞就能在支架中播種，隨後其就會被PGA（聚乙醇酸）纖維包裹，並且覆上PLA（聚乳酸）材料，所有這些材料都具有生物可降解性；此外，這種支架還能被放置到利用每個兒童健康耳朵製作的3D模型中，這種模型就能促進支架上的細胞生長成為正常耳朵軟骨的形狀。

【4】新型可穿戴機器人問世，人工肌肉指日可待！

doi：10.1088/1361-665X/aa9315

科學家們距離人工肌肉又更進一步了！儘管器械矯形學由來已久，但是迄今為止用於補充肌肉力量的矯形工具卻鮮有創新。

目前，一個聯合研究團隊開發出了一種可穿戴機器人，可在人步行時支撐髖關節。這個研究團隊由日本信州大學紡織科學與技術教授Minoru Hashimoto領導，相關研究成果近日發表在Smart Materials and Structures上。

「伴隨著老齡化社會的到來，越來越多遭受中風和其他年齡相關的殘疾的老年人需要護理。因此現在研究人員正在開發不同的技術、設備和機器人幫助護理人員，」Hashimoto寫道，他指出目前幾項旨在輔助人們步行的技術對使用者而言反而成為了累贅。「在我們現有的研究中，我們旨在開發出一種輕便、柔軟、可穿戴的輔助織物幫助那些肌肉退化及行動不便的老年人。」

【5】杜克大學開發出具備完整功能的人工心臟肌肉貼片

來自美國杜克大學的一個研究團隊近日透露，他們已經研製出了一種具有完整功能的心臟肌肉，它可以製造的足夠大，用於修補因心臟病發作導致的心臟肌肉組織死亡。這項突破性進展朝修復人類患者中已死亡心臟肌肉的終極目標邁出了重要一步。該項研究已於近日發表於頂級期刊《自然通訊》（Nature Communication），文章標題：Cardiopatch platform enables maturation and scale-up of human pluripotent stem cell-derived engineered heart tissues

心臟不同於其他一些人類器官之處在於，心臟肌肉在心臟病發作後無法再生，這是由於取代死亡肌肉的疤痕組織不能接收或傳遞必要的電信號，而這些電信號是心臟收縮並強制性地將血液泵向全身所必需的。據悉，心力衰竭影響全球1200萬人。

該文章的第一作者、杜克大學生物醫學工程博士Ilia Shadrin表示，當前，幾乎所有療法的目的都是減少已受損心臟的相關癥狀，還沒有方法能夠替換已經失去功能的心臟肌肉，因為這些心臟肌肉一旦死亡，不會重新長出自己。而採用我們的方法，能夠用體外培養的心臟肌肉組織來替換失去功能的心臟肌肉。

【6】Nat Methods：新型人工胸腺可源源不斷通過血液幹細胞製造大量抗癌T細胞

doi：10.1038/nmeth.4237

最近，一項發表在國際雜誌Nature Methods上的研究報告中，來自加州大學洛杉磯分校（ULCA）的研究人員通過研究開發了一種新系統來製造人類T細胞，T細胞是一種能夠幫助機體抵禦誘發疾病的外來入侵者的關鍵白細胞。研究者表示，這種系統能夠用來工程化設計T細胞，並且幫助尋找和攻擊癌細胞，這就意味著，研究人員未來或許有望持續獲得T細胞的供給來幫助治療多種癌症類型。

胸腺位於心臟前面，其在機體免疫系統的功能發揮上扮演著關鍵角色，通常情況下胸腺能夠利用血液幹細胞來製造T細胞，從而幫助機體抵禦感染，同時清除癌細胞；然而隨著年齡增長或者生病等狀況，胸腺會慢慢變得不能夠對T細胞進行有效製造。胸腺中產生的T細胞能夠獲得一種名為感受器的特殊受體分子，這些受體分子能夠幫助T細胞尋找並且破壞病毒感染的細胞或癌細胞。利用這一過程研究者或許就能夠在癌症研究領域進行更為深入的研究，如今科學家們發現，利用特殊靶向癌症的受體來裝備大量的T細胞，即過繼性T細胞免疫療法或許就能夠在臨床試驗中表現出出色的結果。

【7】人造軟骨有與天然軟骨相似的「神奇」功能

doi：10.1002/adma.201703343

軟骨是身體內一種非常「神奇」的組織，它具有無與倫比的液體強度。在軟骨組織中，80%的成分是水，卻能幫助我們的身體應對很強大的壓力。

合成的材料往往難以與天然的軟骨相媲美，直到來自密歇根大學和中國江南大學的研究人員們開發了「Kevlartilage」。這是一種基於芳綸的材料，芳綸是一種合成纖維，被廣泛所知的是它用於防彈背心，其強度可見一斑。另一種材料是聚乙烯醇（PVA），這是一種常見的水凝膠軟骨中的材料。這種全新的混合材料帶給了我們意想不到的驚喜，它不但具有非常好的強度，同時也具有天然軟骨相似的含水量，有望成為替代身體內軟骨或其他軟組織的優質選擇。研究發表在最近的《Advanced Materials》上。

軟骨在臨床上有著非常大的需求，在美國，有85萬人需要接受手術切除或者更換膝關節的軟骨。有很多關節損傷的人群將從優質的軟骨替代品中獲益。雖然其他種類的人造軟骨已經在進行臨床試驗，但這些材料無法達到強度和水含量的完美組合。

【8】Nat Chem Biol：人造胰島細胞能夠響應高血糖環境分泌胰島素

doi：10.1038/nchembio.2511

目前治療I型糖尿病以及一些II型糖尿病都需要長期性的、痛苦的胰島素注射過程。然而，最近來自北卡洛琳娜大學的研究者們開發出了一類更加對患者友好的治療方法：一類能夠響應血糖變化自動分泌胰島素的人工胰島細胞。

這些人工胰島細胞（artificial beta cells，ABC）模擬了機體自然的血糖控制功能。通過皮下注射的方式將這些細胞注入患者體內，每隔幾天更換一次，或者利用更加無痛的皮膚貼進行給葯。

根據發表在《Nature Chemical Biology》雜誌上的一篇文章，缺乏胰島細胞的小鼠在單次注射ABC之後，體內的血糖含量快速回復到了正常水平，持續時間能夠長達5天。「我們下一步計劃對這一方案進行改進，並且在大型動物水平檢測治療效果，最終應用於臨床治療」。

【9】Nat Commun：子宮外維持早產動物發育時間獲得新突破，人造子宮還有多遠？

doi：10.1038/ncomms15112

《自然-通訊》本周在線發表的研究 An extra-uterine system to physiologically support the extreme premature lamb 報告了一個可在外部人造子宮中維持超早產羔羊生存的系統。試驗中的羔羊存活了四周，是迄今為止子宮外裝置維持動物穩定機能的最長時間。

通過良好的新生兒重症監護，23周齡及以上的人類早產兒的存活率已經得到了提高，但超早產仍然是新生兒死亡和致病的一個重要原因。然而，設計能在超早產新生兒中延長妊娠的體外系統的嘗試目前仍未成功。

Alan Flake及同事開發了一種封閉的流體人造環境，這一系統由一個聚乙烯薄膜袋及通過臍帶介面連接的氧氣迴路組成，能模擬子宮內的環境。作者用超早產羔羊（在生物學上與妊娠23-24周的早產兒相當）測試了系統。

【10】人造蛋白質視網膜問世，有望為盲人帶來光明

doi：10.1038/srep46585

研究者製成了生物質材料的人工視網膜，可感光並向神經元傳遞信號。目前，24歲的凡妮莎·雷斯特雷波-施爾德（Vanessa Restrepo-Schild）還在牛津大學化學學院學習，而這位年輕的學者率領的團隊已經首次人工合成了一種新的生物質視網膜。

與以往「人造視網膜」不同的是，本次採用的並非傳統剛性材料，而是在實驗室條件下培養的合成生物組織。這項發現有望在未來給器官移植業帶來巨大變革，促進新型低侵入性人造器官類似物的開發，幫助治療眼部器質性病變，為視力障礙人士帶來福音。

視網膜在獲得視力的過程中所起到的作用類似攝影中攝像頭像素的感光過程。視網膜位於人眼後部，包含具有把光信號轉換成能通過神經系統傳導的電信號功能的蛋白細胞。電信號傳導後會觸發大腦的應答機制，最終在大腦中形成所見場景的視覺圖片。

Cell：細胞治療領域觀察者

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