自體器官移植重要一步！人造肺首次成功移植給活體豬，無排斥反應

知識 08-09

生物反應器中的人造豬肺。（來源：Nichols實驗室）

對於很多慢性阻塞性肺疾病、囊性纖維化、特發性肺纖維化等疾病的患者，肺移植是提升生活質量，甚至挽救生命的最佳途徑。僅在美國，每年就有數千人需要接受肺移植。但一個殘酷的事實是，目前可供移植的肺器官數量遠低於等待移植的患者數量。而且，由於免疫排斥反應常常出現，接受肺移植的患者的五年存活率只有50%~60%。

如果能使用患者自身的細胞，在實驗室人工培育出人造肺器官，肺資源短缺及免疫排斥的問題都將迎刃而解。然而，打造人造肺器官談何容易。先前的小型動物試驗均以失敗告終，其死因往往是血管發育不良引發的肺水腫。

在這樣的背景下，德克薩斯大學醫學部的科學家在體型更大，難度也更高的哺乳動物——豬身上取得關鍵性突破。接受人造肺移植後，實驗豬沒有出現免疫排斥等不良反應，並且成功存活兩個月（隨後接受了安樂死）。接下來，研究團隊需要證實人造肺具有完整的功能。

這項研究的主要作者之一，德克薩斯大學醫學部的Joaquin Cortiella稱：「我們顯著提高了人造肺中血管的發育水平，並且成功移植進大型動物體內。」

領導該研究的Joaquin Cortiella（左）與Joan Nichols（右）。（來源：德克薩斯大學醫學部）

精心呵護的豬肺

在Joan Nichols的實驗室里，幾隻珍貴的肺經常令她夜不能寐。它們就像剛出生的嬰兒一樣，精緻、纖細，需要持續不斷的呵護。為了保證它們能茁壯成長，Nichols和其他實驗室成員在過去幾年間，甚至每天凌晨1點都會輪流進入實驗室，檢查裝載它們的生物反應器有沒有泄露、裡面的營養湯是否在正常流動、正在萌芽的組織和血管有沒有被污染。最後這一點，也是Nichlos最為擔心的：培養一隻人造肺，需要將它在溫暖、潮濕，有益於真菌生長的環境中放置數周，更不用說加爾維斯頓市的氣候本身就溫暖、濕潤。「如果你坐久了，你頭上都能長出黴菌。」Nichols打趣道。

在這樣的環境下，他們的警覺與堅持最終獲得了回報。2014年，Nichols的團隊打造出首枚人造的人體肺器官。一年後，他們首次利用受體豬的幹細胞培養出人造豬肺，並成功移植回豬體內。在不使用免疫抑製劑的情況下，沒有出現免疫反應。在那之後，他們又先後在三隻豬身上成功實施了該試驗。上周的《科學-轉化醫學》（Science Translational Medicine）期刊，報道了Nichols團隊的這一成果。

30天培育人造肺

為了確保幹細胞能準確地長出肺的形態，Nichols團隊首先需要為幹細胞提供一個支架。為此，他們從死去的豬體內取出肺器官，並用糖和洗滌劑的混合洗劑除去其中的細胞和血管。這樣，就得到了主要由膠原蛋白和彈性蛋白構成的肺器官支架。膠原蛋白確保了肺支架的強度，而彈性蛋白賦予了它們彈性。

洗去細胞及血管後得到的肺支架。（來源：研究論文）

隨後，研究人員將這些支架放入生物反應器內。不過，這些反應器可沒有你想像中的那麼高端。它們最初是由魚缸改造而來的，即使是現在，這些生物反應器也包含了從連鎖家居店購買的材料。雖然略顯簡陋，但每個生物反應器都發揮了關鍵的作用。在這裡，Nichols團隊首先注入了充滿生長因子的凝膠和納米顆粒。隨後，人造肺的「建材」——來自受體豬的原代肺細胞也被加進生物反應器。研究人員切除了受體豬的一隻肺，並從中提取出這些肺部細胞。

生物反應器中的人造豬肺。（來源：Nichols實驗室）

「生物反應器能讓我們為器官提供生長因子、生長媒介和機械刺激。」與Nichols共同領導該實驗的Joaquin Cortiella說。生物反應器相當於胎盤，讓肺器官在溫暖、舒適、充滿營養的環境中生長30天。之後，人造肺迎來真正的挑戰：它被移植進活體豬的胸腔中，取代此前被切除的肺器官。

哥倫比亞大學幹細胞和組織工程實驗室的Gordana Vunjak-Novakovic表示，在此前的研究中，人造肺往往只經過短時間的培養就被移植，這限制了人造肺的發育。在對小型動物（如小鼠）的過往試驗中，受體往往因為肺水腫而在移植後數小時內死亡。相比之下，Nichols團隊培養一個月的舉措，讓它們長出更完善的血管。進行了肺移植的豬最多在存活兩個月後接受了安樂死，在此之前，在其身上沒有出現人任何併發症。

實驗流程圖（來源：研究論文）

完整功能仍待檢驗

在這項研究中，4隻接受肺移植的豬分別在移植10小時、兩周、一個月及兩個月後接受了安樂死，因此研究者得以研究在移植後的不同階段，人造肺的發育情況。不過也正因如此，現在還無法判定兩個月之後，這些人造肺的表現如何。但至少，目前的所有跡象都表明，人造肺已經無縫地融入受體了：它們在體內繼續長出血管和肺組織，肺部的微生物群落也恢復至原有的類型。此外，這些豬也沒有出現呼吸系統癥狀及免疫排斥。

不過，必須要指出的是，在這四隻豬體內，人造肺的完整功能尚未受到檢驗。在這項試驗中，研究團隊保留了一隻肺，因為他們擔心，在肺發育不完善的情況下貿然終止原先的氧氣供應，可能會存在風險。Nichols計劃，在接下來的試驗中，他們將在豬接受肺移植一年後關閉原有的肺功能，以檢驗人造肺能否獨立承擔起供氧的重任。「我們的人造肺在體內需要一定的時間才能完全成熟。接下來的試驗將驗證我們的理論。」Nichols說。

此類試驗還需在更多個體中進行。Vunjak-Novakovic說：「我很期待看到這項技術是否可靠，因為目前試驗個體還非常有限。」不過，這一階段性成果讓人們看到更多的希望。Nichols和Cortiella表示，在經費充足的情況下，他們有信心在未來5~10 年內開展人造肺的人體移植試驗。

編譯：吳非

原始論文：

Production and transplantation of bioengineered lung into a large-animal model

參考鏈接：

https://www.wired.com/story/four-successful-bel-transplants/

https://www.popsci.com/bioengineer-pig-lung-transplant

https://www.bbc.com/news/science-environment-45046674