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重磅级文章解读工程化器官研究进展

诸如肝硬化和肝癌等多种疾病都会引发肝脏衰竭,这时候患者往往需要及时进行肝脏移植,然而目前在临床上往往面临器官供不应求的状况,为了解决移植器官短缺的问题,近年来科学家们通过进行大量深入研究在工程化开发人类组织器官上取得了重要的进展,本文中,小编就对相关研究成果进行了整理,分享给大家!

【1】具备完整血管的工程化肺脏即将成为现实

新闻阅读:Bioengineered Lungs With Intact Blood Vessels Just Came One Step Closer to Reality

最近,来自哥伦比亚大学的研究者们成功地开发出了首个具备完整血管系统的工程化肺脏,这一技术或许能够很大程度上改变目前肺脏疾病的治疗方法。

目前大部分的工程化肺脏都是利用支架进行肺细胞的三维构建。而这一新型的技术的特别之处在于能够保持原始肺脏的纤维骨架,并且在移除了有缺陷的表皮层之后替换为健康的上皮细胞。

“我们开发出的这种方法是生物工程化肺脏领域的新兴技术”,该研究的作者,来自哥伦比亚大学的Vunjak-Novakovic教授说道:“由于许多肺脏疾病的发生都与肺脏上皮细胞的缺陷有关,因此针对肺脏上皮层细胞进行治疗具有重要的意义“。

【2】生物工程化肝脏研究新突破

新闻阅读:Hopes high for a bioengineered liver

由于肝脏供体的短缺,每一年都有至少1500肝脏疾病患者因等不到合适的供体而不幸去世。如果我们能够通过3D打印技术制造全新的肝脏,那么这个问题就能够轻易得到解决。然而不幸的是目前还不存在这样的技术。不过,最近一家叫做Miromatrix的公司采取了不一样的策略:他们不需要发明生长肝脏的新技术,而是通过随机挑选肝脏的供体,结合一些技术使其不会出现免疫排斥的现象。

Miromatrix的科学家们从家猪体内采集肝脏,并利用温和的去垢剂去除有活性的细胞,之后将这些白色的基质层与人源的细胞混合,最终将猪的肝脏转化为有功能的人类器官。

听上去也许像科幻小说,但今年内这一设想就将付诸实践: Mayo Clinic的研究者们将会把其培育的猪体内的肝脏移除,并且将重构后的肝脏移入家猪体内。之后,研究者们将会检测这种生物工程化的肝脏能否保证宿主存活的时间大于两天。这一实验的结果将会在明年得到,如果一切顺利的话首次相关的人体移植试验将会安排在2020年实施。

【3】Sci Trans Med:工程化肝脏组织移植后成功扩增

DOI:10.1126/scitranslmed.aah5505

许多疾病,包括肝硬化与肝炎等等,都会导致肝脏衰竭的发生。目前美国境内有超过17000名患者受到肝脏衰竭的困扰,焦急地等待肝脏移植。然而,可用的肝脏供体却供小于求。

为了解决供体短缺的问题,研究者们成功地开发出了工程化的肝脏组织。即通过将三种不同类型的细胞包被在可降解的生物活性组织框架中。在小鼠的肝脏损伤疾病模型中,研究者们发现,这一工程化的肝脏在移植进入小鼠腹腔之后,能够扩增50倍左右,并最终能够行使完整的肝脏功能。

这一工程化的肝脏能够帮助数百万饱受慢性肝脏疾病折磨,却苦于没有合适供体的患者带来了福音。相关结果发表在最近一期的《Science Translational Medicine》杂志上。

"这些患者并不急需供体移植,但的确患有肝脏疾病,如果工程化的肝脏能够最终进入临床,那么将会同时为这些患者提供帮助",该文章的作者Kelly Stevens博士说道。

【4】PNAS:突破!利用工程化的仿生骨组织或有望治疗人类多种骨髓疾病

doi:10.1073/pnas.1702576114

近日,一项刊登在国际杂志PNAS上的研究报告中,来自加利福尼亚大学的研究人员通过研究开发出了一种新型的仿生骨组织,未来有望为需要移植的患者提供新的骨髓组织。骨髓移植通常用来治疗骨髓疾病的患者,在移植前,患者首先需要接受一定剂量的辐射,有时候还要联合用药,从而来杀死患者骨髓中存在的任何干细胞。对患者进行预处理意味着能够通过清理患者骨髓的空间来改善移植的成功率,从而就能够帮助供体细胞更好的生存以及生长,而且也不会同患者自身的细胞进行竞争,但这种疗法通常会带来有害的副作用,比如恶心、疲惫、不育等。

为了解决上述问题,研究人员开发出了一种新型的骨质样植入物,其能为供体细胞提供一定的空间,在不与宿主细胞产生竞争的情况下来帮其生存和生长,从而研究人员就不用对宿主机体先前的细胞进行清除了。研究者Varghese说道,我们还制造出了一种附骨组织来适应供体的细胞,以这种方式我们就能够保持宿主细胞能够绕过辐射而免于损伤。

这种新型的携带功能性骨髓的骨组织被填入了供体细胞,而且被植入到了小鼠的皮下组织中,这样供体细胞就能够生存至少6个月,而且也能够为小鼠提供新的血细胞来源,研究者认为,未来这项研究或有望改善他们对骨髓疾病患者的治疗。这些移植物或许在非恶性的骨髓疾病患者中使用较为有限,因为这些患者机体中没有任何需要清除的癌变细胞。

【5】Nat Biotechnol:工程化人类结肠组织模型或助力癌症研究

doi:10.1038/nbt.3586

遗传突变是引发癌症的主要原因,而追踪癌症发病机制中每个基因所扮演的角色或许是抵御疾病发生的重要工具,癌症每年都会引发160多万人死亡。

很多年前,科学家们开发了一种正向遗传学(forward genetics)的方法,即将信息插入到果蝇基因组中来鉴别哪种遗传改变会诱发疾病发生,然而截止到目前为止,在人类器官中进行相同类型的研究似乎是不可能的,但近日来自康奈尔大学及威尔康奈尔医学院的研究人员在Nature Biotechnology杂志上发表了题为“A recellularized human colon model identifies cancer driver genes”的研究论文,文章中,研究者利用了组织工程学的方法对人类组织进行了正向遗传学的筛查。

研究者Samuel B. Eckert教授说道,你并不能在人类组织中很好地进行试验,因此拥有一种人类系统似乎是一种相当强大的技术,该系统将可以帮助我们在受控环境下观察每一种遗传特性的改变。文章中我们通过剔除来自正常人类结肠组织的细胞开发出了一种人类结肠模型,同时该模型保留了大部分的细胞粘附分子,这样研究者就可以将结肠镜检查的病人样本和商品化来源的细胞直接注入结肠组织模型中。

【6】Circ Res:iPS技术制作出工程化心脏,心脏移植手术或将不必等待供体配型

原文报道:Scientists have grown a first-of-its-kind functional heart muscle from stem cells

器官移植手术对于器官衰竭的患者来说是无价的疗法,但是器官短缺,等待人数过多以及昂贵的降低免疫排斥反应的药物等等因素大大地增加了器官移植的困难。

不过,如果有一种新的方法可以不依赖于供体(活人)完整、鲜活的器官而能够同样进行器官移植的话,这一手术的难度是否会降低呢?最近,美国科学家们在这方面做出了突破性的贡献。他们通过体外再生“功能性的人体心肌细胞”的方法创造出了工程化的人类心脏。利用这一技术,虽然我们仍然需要一个供体的器官,但是可以与受体的细胞进行融合。

这一技术需要利用“拆包”心脏重新培育出一个完整的心脏——即,将供体来源的活细胞与从受体分离培养得到的ipsC细胞分化出的心脏组织有机地结合在一起。这一步能够将供体器官中能够引发免疫反应的分子去除,代之以受体内的心肌细胞。

【7】AJP:GI  Liver:利用人类细胞开发出功能化的工程化小肠组织

doi:10.1152/ajpgi.00111.2014

近日,一项刊登于国际杂志the American Journal of Physiology:GI & Liver上的研究报告中,来自洛杉矶儿童医院的研究人员通过研究表明,他们可以利用人类细胞来复制人类功能性小肠的关键部分,从而制造出人工组织工程化的小肠组织(Tissue-engineered small intestine ,TESI),这种人工化小肠组织包含着重要的粘膜及支持结构,同时也可以吸收糖类等物质,甚至也可以吸收一些小型或者超结构分子(细胞连接物),相关研究或可为开发再生医学疗法来治疗人类疾病提供思路和希望。

利用小肠干细胞开发出的人工组织工程化的小肠组织(TESI)或可有效治疗短肠综合征(SBS),SBS是肠衰竭的主要原因,尤其是对于早产儿及患有先天性肠道畸形的新生儿非常危险; Tracy C. Grikscheit博士表示,TESI或将有一天成为一种标准化的疗法来进行肠道移植,并且可以缓解当前面临移植组织短缺的现状。

【8】Biomaterials:开发出一种工程化的神经组织用于进行外周神经修复

doi:10.1016/j.biomaterials.2013.06.025

近日,一项刊登在国际杂志Biomaterials上的研究报告中,来自英国开放大学(The Open University)的研究者开发了一种新型组合组织工程技术,其可以降低个体对神经移植物的需求。当个体机体受损区域范围过大,神经再生就变得非常困难,外科医生常常必须使用神经移植物来进行填充覆盖,这就无意中造成二次损伤部位的损伤;神经移植物包括均衡的组织结构以及支持和引导神经元生长的许旺细胞,神经移植物的使用就可以促使机体损伤区域功能快速恢复。

研究者表示,我们开发了一种新型的人工神经组织,其可以代替那些神经移植物。工程神经组织可以通过在三维的胶原凝胶中控制天然许旺细胞的行为来形成,以便细胞可以延伸对等,随后在稳定过程中可以移去多余的液体留下强大的人工组织,这些活性生物材料就包含有整齐排列的许旺细胞,其可以使得正常神经组织恢复关键特性。

【9】如何实现3D打印人体组织?

近年来,为使动物免于再受伤害,人们对药物测试替代方法的需求变得日益迫切。而且,动物试验对许多疾病和状况会产生不一致或假阳性反应,使得其无法在人体试验中进行模拟。利用生物打印的类人体组织进行药物测试,能消除动物试验固有的不可靠性,并节省药物开发的支出。

利用生物打印的人体组织来测试药物,将大大减少、甚至逐步消除进行动物试验的需求。在动物试验中可能有效的动物模型,常常在人体模型中不能正常工作,浪费了宝贵的研究时间和金钱;而有了生物打印的人体组织,人们将不用再在扩展试验上耗费时间和金钱。此外,它还可以找出对人体生理奏效的治疗方法;而在过去,这些方法很可能因为在动物试验中表现不佳,在初始阶段就被淘汰。但Aspect Biosystems的雄心还远不仅仅局限于药物测试;对于自己的技术,他们有着更远大的计划。

【10】Nat Commun:组织支架技术或可重建大型器官

doi:10.1038/ncomms8405

日前,科学们开发了一种新型组织支架技术,该技术有望在未来进行大型器官的工程化制造,相关研究刊登于Nature Communications上。来自布里斯托大学等处的科学家们通过研究指出,或许有一天我们可以将细胞同特殊支架相结合来在实验室制造活体组织,随后将这种组织植入病人体内来代替机体的疾病组织。

截止到目前为止这种方法受限于小片组织的生长,因为组织尺寸较大会降低氧气向中心组织的供给;而这项研究中,研究人员利用一种工程软骨组织作为模型系统,来检测新技术在克服氧气受限问题上的应用情况;研究者首先合成了一类可以结合蛋白的人工膜,其可以吸附到干细胞上;在利用工程软骨组织之前,通过将携带氧气的肌红蛋白吸附到干细胞上,研究者就可以保证每一个细胞都有足够的氧气供应,同时还可以评估支架中的氧气什么时候会下降至危险的水平。

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