《明日医学》:「合成器官」首先可行的是肝脏,人工心脏就困难多

来源  :   H易生活     2020-06-10 20:02:09

2020-06-10

从合成肝脏开始,终结器官捐赠的漫长等待

不过,生理组织与皮肤只是第一步。最终目标,其实是为了在实验室再造人类身体的重要部位:我们的器官。全球每年约有十三万个器官移植病例。这数量不算多,但并不是饱受心脏、肾脏、肝脏或其他器官衰竭而有生命危险的患者不多,而是因为缺乏足够又适合的捐赠器官可移植。等待器官捐赠的名单是很绵长的,许多人等不到适合的器官就已先离世。德国二○一六年接受心脏移植的病患,还不及名单人数的一半;在英国,等待一颗可移植的肾脏需时三年半;而美国的情形则是,据专家估计,若有足够的器官与生理组织可供移植,每年将有上千上万人可免于死亡。由此看来,人工器官的优点已不言而喻:有了人工器官,无人再须寄望善心人士捐赠器官,或等待某个捐赠者死亡以得到适合的器官。

有些专家很确信:几年之内,或至少在二○二○年代中,第一个可供移植的人体部位3D生物列印技术便可臻成熟。因为其相关技术,其实跟列印生理组织所用的技术没什幺两样:在实验室製作準备器官所需的特定细胞,以凝胶或高分子聚合物传送,再根据电脑鉅细靡遗的编程内容,印製出一个三度空间的结构体。然后,细胞就会在此成长为一个有生命的器官。

依目前Organovo实验室确实可运作的肝脏组织看来,首先可行的必然是合成肝脏。不过在人工肾脏方面的研究也大有斩获。二十年来,许多医师尝试以人工方式重建肾脏功能的运作,为的就是让数百万人免除洗肾透析治疗的痛苦,因为那是一个既耗时又累人的疗程,而且效果还远不如人类自己的肾脏。哈佛研究人员日前以改良过的生物列印方法,成功生仿出肾脏繁複构造中的基本功能单位:即所谓的肾元(nephron),在肾脏中负责过滤血液。若能仿造出这个功能,理论上就有办法再造出整个肾脏。

但反之,在实验室中製造出人工心脏就困难多了,因为这个器官的内部结构複杂得不得了。不过材料科学方面的进步又为人类带来了希望:苏黎世联邦理工学院的研究人员研发出一种硅胶做的心脏,外观上与人类心脏非常接近,跳动起来也宛如人类心脏⸺至少可持续一小阵子。其心室收缩则交由外部连接的唧筒负责,用以取代心肌的功能。不过跳动约三千下后,硅胶就会开始欲振乏力:这种心脏还没有办法运作超过四十五分钟,研究人员在科学期刊《人工器官》(Artificial Organs)上如此报导。是的,连器官工程领域的专业刊物都有了。

培养皿上的迷你大脑

虽说,要达到人工器官具备齐全功能的地步,可能还有十几二十年的路要走,但目前也至少有了阶段性成果。因为,医学研究人员已可在实验室仿製出迷你器官:即organoid(可称为「类器官」)算是合成生物学的第一个革命性突破。类器官是一种在实验室培养的微小细胞组织,外观有如器官形成的初期状态,更重要的是,也可如器官那样反应。这技术几年前才研发出来,但如今已在医学上许多领域广泛应用。而其中最根本的突破则是:研究人员发现,他们可以在实验室刺激干细胞生长,而且其成长方式跟在人体中一样。科学家的做法是,仿照器官形成之初的人体运作过程,以营养液与某些技术性手法加以刺激。结果,那些干细胞真的形塑出一些结构,有的类似大脑,有的像肝脏,或者眼睛。虽然这些类器官并不会脱离初期生长状态,且永远停留在珍珠般大小的细胞团样貌,但却已是人类器官的良好再製产物:肠类器官会如进行消化般节奏性收缩,味觉类器官对香味也会有反应。

二○一○年代初,维也纳分子生物研究所的两位科学家,玛德琳娜.兰卡斯特(Madeline Lancaster)与尤根.可诺柏利希(Jürgen Knoblich),为类器官的研究发展奠下了根基,在培养皿中培育出取自干细胞的迷你大脑。乍看之下,那团在液体中漂浮的黄色发霉物,实在不像会是造成生物科技一大进展的东西。但这几公厘大小的细胞堆积物,却已形成了三度空间的大脑构造,约莫是怀孕初期胚胎的大脑状态。这个形状不明的物体已有六层大脑皮质,并已可产生活跃的神经元。「最让人讶异的是,这东西真能像大脑那样运作。」尤根.可诺柏利希说。

培养皿中的迷你大脑,有助于更进一步认识大脑许多基本构造,甚至观察神经元的发展与凋亡,以及大脑细胞的连结过程。此外,作为各种脑神经疾病的精确模型,并用以了解疾病如何形成与其治疗方式,也是非常可行的。因为若以病患的干细胞特地培育类器官,便可藉以了解阿兹海默症或帕金森氏症患者的神经元与健康人有何不同。

科学家还可视自己的研究需求,以干细胞培育出各种特殊类器官。一方面,藉由类器官可更深入了解人类生物学上的功能与发展。另一方面,也可用来试验与研发各种疾病的治疗方式。因此可说,如今几乎已没有任何医学领域不能应用类器官。德国癌症研究中心便有专门研究类器官的整个部门。

另外,也有愈来愈多医师採用实验性做法,先为个别病患在其人工培植的细胞团块上测试药物与疗法——以此观察,哪些东西对该生物体特别有效,或者会出现什幺副作用,而这些类器官都是由特定疾病患者的干细胞培育而成。例如在荷兰,便有医师为许多罹患纤维化囊肿这种代谢疾病的病人,培育了各自的迷你消化系统。「迷你肠道系统小归小,却非常完整。」汉斯.克莱弗斯(Hans Clevers)博士说,他是此技术的先驱之一。除了血管与肌肉之外,这个肠道类器官「该有的都有了,只是迷你非常多」,克莱弗斯又说。就这样,在培养皿中成功测试出适合个别病人的正确药物组合。

从实验室意外诞生的未知生命体

不过,科学家其实已经开始进行下一步:他们想让类器官继续生长,最终希望能大到可移植至人类体内的地步,如人工卵巢之类。美国某研究型医院的医师,已成功製出具卵巢部分功能的人工生理组织。该实验以小鼠进行,不是直接做人体实验,但颇具成效:几週之内,该合成卵巢便已分泌出许多荷尔蒙。

生育能力与人类生殖是合成生物学里颇令人期待的领域。其中一个很显而易见的原因是:数以百万的人无法以自然的方式受孕生子,因为自然机制在他们身上无法顺利运作,或是重要器官有缺陷。但另一方面,当然也是因其商机无限。为了完成养儿育女的心愿,许多人不惜下重本去进行。虽然,过去几十年来,生殖医学已有长足的进步,无论是採用人工受孕、荷尔蒙疗法或其他方法,已有许多人受益。不过,仍有不少人的希望落空。究其原因,也包括愈来愈多人在年近四十时才开始求子,而这时,与生俱来的生物机能往往已力不从心。

但想想,既然能设计与操控干细胞去长成迷你器官,那幺,是不是也能生长为精子或卵细胞呢?理论上是可以的,只要知道细胞如何决定要变成何种器官形态。科学家期望,若能理解细胞发展的每个步骤,就可在实验室进行仿製。这其实也是合成生物学的核心思想。

不过到目前为止,虽然类器官方面有了不错的成果,也有办法迫使干细胞长成所希望的器官型态,但仍无法将干细胞转为生殖细胞以製造出人工卵子或精子。但突破的时刻,应是指日可待。日本已有活生生的小鼠产自合成卵子,那是研究人员改造小鼠尾巴干细胞而来。这是非常複杂的技术,但若仔细阅读发表在《自然》期刊上长达二十页的科学报告,就会立刻明白:这成果绝非偶尔,其实早就有迹可循。

这些科学方面的进步也吸引了大批投资者。对于专治不孕症的医院与製药集团来说,在实验室製造婴儿的保证之下,必然也确保了亿万商机。或许不孕医学领域也该来个大汇聚,让各种新式科技在此交会融合,未来发展才精彩可期。哈佛大学干细胞研究所,已有研究人员尝试结合基因编辑与干细胞研究,希望能製出人工生殖细胞。至于把所有合成生物学的技术通通用上(包括生物列印、类器官、基因编辑与干细胞),是为了有朝一日能培育出人工的人类胚胎,这点是可以确定的。因为第一步其实已经跨了出去,儘管是不小心发生的。

密西根大学(University of Michigan)的一则YouTube影片,非常清楚的呈现上述所言。这是一部快转影片,从影片中可看到,干细胞如何在四天之内自行发展出与人类胚胎类似的结构。该校生物工程师做的其实是生物列印实验,原想藉由胚胎干细胞生仿出大脑组织。没想到,这个干细胞生长得比预期的快,而且完全出乎意料地显现出明确的胚胎构造特徵:也就是说,研究人员并没有成功製出计画中的类器官,但却做出了类胚胎(embryoid)。这个实验室产物并没有办法成长为真正的人,因为缺了心脏或大脑的细胞类型。不过其间所牵涉到的伦理意涵,也让研究人员瞬间精神紧绷了起来。这在培养皿中生长的,到底是什幺东西啊?哈佛的科学家建议用「SHEEF」这样的名称:「synthetic human entities with embryo-like features」,约莫是「具类似胚胎特徵的合成人类体」。

但无论怎幺命名,事实就是:有项新技术已发展了出来,某些科学家称之为「合成胚胎学」。英国剑桥已有研究人员取多种干细胞,研製出逼真的六天大小鼠胚胎。而密西根大学的科学家虽然心理上怀抱着伦理上的疑虑,却仍埋头继续着他们的类胚胎研究。

相关书摘 ▶《明日医学》:如何让AI生吞活剥资讯之余,对革新健康医疗有具体作为?

书籍介绍

本文摘录自《明日医学:终结绝症×订製基因×永生不死,迎接无病新世纪》,宝鼎出版
*透过以上连结购书,《关键评论网》由此所得将全数捐赠联合劝募。

作者:汤玛斯.舒兹(Thomas Schulz)
译者:林琬玉

是基因科技新时代的黎明时刻,抑或是击溃社会正义的黑暗时代?
——关键就在于我们抱持何种态度,以及对这场医疗革命的认识多寡!

治癒阿兹海默症、战胜癌症、多活数十年⋯⋯
基因操控、製造人工器官、把人脑与机器连结⋯⋯
《星际争霸战》、《艾莉塔》不再是空谈
运用新技术解码并重写命运的未来,近在咫尺

在硅谷,这个向来被视为孕育超凡理念、改变世界发展的完美温床,一场撼动人类生命的重大变革已铺天盖地袭来:这回是医学发展上的一波新高峰。科技巨擘如Google、微软、Facebook和IBM,以及无以计数的新创公司,藉由演算法、人工智慧与大数据分析等快速发展的新技术,正争相致力于为个人量身打造完美的诊疗方法,除了要在这个全球商机上兆的领域夺得一席之地,更要引领众人前往一个更健康且更长寿的无病时代。

《明镜週刊》驻硅谷特派员汤玛斯.舒兹,以独家管道深入硅谷祕密研究实验室与工作现场,汇集超过150次以上的访谈内容,以观察入微的细腻笔触带领读者由浅入深,一窥这个当红产业的独家内幕:

抗病之战:影像辨识、AI深度学习、免疫疗法的跃进,不仅让阿兹海默症、帕金森氏症、癌症等绝症的治癒之路出现一丝曙光,以往模糊难辨的心理疾病也能藉由大数据分析、穿戴装置更加精确有所进展。基因编辑:治癒失明、订製宝宝、遏止传染病……只需要运用「CRISPR」这把便宜又简单的「基因剪刀」,人类想一手掌握自己的完美进化已不是梦,甚至还能製造出符合需求的实验鼠,让临床研究进程跨进一大步。人工器官:影集《西方极乐园》中所呈现的3D列印技术,若能使用在医疗领域上会是何种光景?人体器官组织都能人工製造,不必再苦等适合的捐赠器官;更有研究人员正努力製出合成精子、卵子,未来生命很可能完全于实验室中诞生。脑机共生:用说的太麻烦,直接心电感应如何?硅谷工程师致力研发可植入大脑的晶片或穿戴式大脑数据机,撷取脑中的语言讯号并转换成文字,不仅能够协助瘫痪、失明、语言障碍患者沟通,也可以更精确地与电脑交流。长生不老:我们是否能拜未来医学之赐而青春永驻?藉由寻找隐藏在年轻血液之中,和老化相关的生物标记,或是运用干细胞让身体重开机,也许未来人人都能健康地活到两百岁。

作者不仅在本书中阐述各种彷彿来自幻想的先进技术,说明未来医学将为我们每个人带来何种机会与风险,更不忘大声疾呼,众人应一併思索与面对那些随之而来、在政经与医疗政策方面的各方冲击与挑战:这场医疗革命将导致未来疗程更加客製化,其费用却也将愈发高昂;基因编辑得以让婴儿免于先天疾病的伤害,但是否会产生副作用却未可知;为了让治疗更加精确而提供的个资,是否有被滥用的疑虑?道德底线该设在何处?遥望未来,无论是政府、企业或个人,都得去设想不断进化的医疗技术将产生的冲击与课业,唯有调整至正确的发展方向,才能自这个即将开展的医疗新世界中受益。

《明日医学》:「合成器官」首先可行的是肝脏,人工心脏就困难多Photo Credit: 宝鼎出版

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