大鼠肺脏

p 　　病痛常常使人们放弃一些生活的追求做出一些妥协，肢体的缺陷使人被迫放弃运动，皮肤的敏感可能需要惜别明媚的阳光，但一些恶毒的疾病比如肺病，总让人避无可避，因为没有人可以放弃呼吸。 /p p 　　对于一些慢性肺病，传统的药物无法使肺器官恢复原状，只能减缓其纤维化的速度，而这些伤害都是不可逆的，如慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD，下文简称“慢阻肺”)。这种疾病被认为是全世界最痛苦的疾病之一，想象一下，你在游泳憋气，在水下1分钟会是什么感觉?可是有每100人中就有6个人，每天就如同在水下挣扎呼吸。如今，这些肺病患者终于迎来了新的希望!在左为教授的带领下，来自同济大学的研究团队在肺干细胞移植人体临床实验上做出重大突破，这也是世界第一例成体肺干细胞移植。 /p p 　　 span style=" color: rgb(31, 73, 125) " strong 比传统肺移植更安全高效的肺干细胞移植 /strong /span /p p 　　在此次实验中，研究团队成功在患者肺部支气管上皮分离出 SOX9+ 阳性的肺脏干细胞并将其应用于临床实验中，术后 3-12 个月，患者肺功能有效改善且保持良好。该研究发表于《Protein & amp Cell》杂志上。 /p p 　　在传统的治疗中，上文提到的慢阻肺只能通过吸入支气管扩张药和皮质类固醇进行治疗，有些患者甚至需要长期供氧，肺脏移植是唯一可以“一劳永逸”的终极希望。肺脏是人体最复杂的器官，数十种不同细胞的协同工作保证了正常功能的进行。而正是由于其复杂的结构，增加了临床病症诊断的难度，因而一经确诊，肺病往往已经产生不可逆的伤害(至少已丧失50%的功能)。 /p p 　　在一般的肺移植手术，患者经常面临着极高的风险。毕竟，在众多器官移植中，肺移植手术属于最复杂、高难的一类：手术允许的冷缺血时间短 大部分脏器暴露在空气中，感染问题突出，易引起败血症。但左为教授团队成功实施的肺干细胞移植通过纤维支气管镜即可无创移植，患者入院观察3天就出院了，无需像肺移植那样进行开胸，这样就大大避开了上述的这些风险。 /p p 　　同时，异体移植常伴随着非常强烈的免疫排斥反应，甚至可能危及生命。与异体肺移植相比，肺干细胞移植这种自体干细胞移植的优势还在于基本不会激发免疫排斥。所以，该研究不仅可以帮助慢性肺病患者维持正常生活需求，延续生命，今后或许有可能应用于肺癌切除后肺的重建。它也标志着再生医学在临床应用上的巨大希望，更多不同疾病的患者将受益于此。 /p p 　　 span style=" color: rgb(31, 73, 125) " strong 慢阻肺“新救星” /strong /span /p p 　　生命依赖于呼吸，而呼吸的重要器官就是肺。如今，人们最关心的健康话题就少不了肺癌，到2017年，中国肺癌发病率已经上升到80万例，死亡人数已达到70万例，约占全国癌症死亡人数的四分之一。但是，慢阻肺作为慢性肺病也非常值得重视，它的致死率与致残率均高于肺癌。有数据显示，中国乡镇地区，该病是第四大主要死因，而在城市地区，慢阻肺是第三大主要死因。 /p p 　　在美国，慢阻肺患者的数目同样触目惊心，以两种常见的慢阻肺为例，2012年，特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis, IPF)的发病患者数约为20万，而慢阻肺则表现的更为普遍，目前美国患有该疾病的患者超过3000万，而它也正在成为世界范围内致残和致死的重要原因，预计2030年将成为全世界第三位主要死因。 /p p 　　慢性阻塞性肺病：亦可称为慢性阻塞性肺炎(COLD)或慢性阻塞性呼吸道疾病(COAD)，常简称为慢阻肺，主要表现为持续性的气流受限，病情会随着时间推移而加重。 /p p 　　特发性肺纤维化：又称隐源性纤维化肺泡炎，弥漫性纤维化肺泡炎，是一种无明显原因的，进行性的肺纤维化。肺间质的广泛纤维化形成而肺组织增厚，造成不可逆转地丧失肺组织氧气交换的能力。 /p p 　　因此，此次研究所带来巨大的希望是不言而喻的。肺干细胞移植成为逆转败局的又一可能，但移植的肺干细胞又从哪而来呢?人体内每天都在经历着细胞的增殖和凋亡，而干细胞，就是“细胞库”的源头。干细胞是一种未充分分化、具有再生各种组织器官的潜在功能的细胞。根据发育过程和分布可分为胚胎干细胞(embryonic stem cell)和成体干细胞(adult stem cell)。 /p p style=" text-align: center " img title=" 1.jpg" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/insimg/b3019add-2051-4c4a-a4ea-6544c5e1d4ec.jpg" / /p p 　　成体干细胞，也称成人干细胞，存在于成人体内特定的组织中，具有由干原细胞形成先驱细胞，分化成具特定功能细胞的能力，用以维持组织和器官生长、衰退的动态平衡。相比胚胎干细胞，成体干细胞对于患者来说更为易得方便，并且正如上文提到的，自体干细胞诱导分化的器官可以使患者有效避免免疫排斥反应。 /p p 　　由左为教授带领的团队以此为实验思路，通过支气管镜检的方法，从人类肺部支气管上皮刷取细胞，从中筛选出 SOX9 阳性的肺脏干细胞(Sox9是这类干细胞的蛋白标志物)。为了验证肺脏干细胞的再植修复能力，研究者将标记了GFP荧光蛋白的肺脏干细胞移植到小鼠受损的肺脏内，三周后，小鼠的肺脏变得十分健康-人类肺细胞大面积整合到小鼠的肺内，形成了“人-鼠嵌合肺”-小鼠的肺脏“重生”了。 /p p 　　不仅如此，在细胞移植的过程中辅以抗纤维化药物吡非尼酮(Pirfenidone)，抑制TGF-β信号通路，也会进一步提升移植效率。 /p p 　　 strong span style=" color: rgb(31, 73, 125) " 人类正在将“种子”变成“果实” /span /strong /p p 　　基于良好的初期动物实验结果，左为教授团队联合附属东方医院、第三军医大学附属西南医院开展全球首个基于成体干细胞的肺脏再生临床试验，初期招募了10名患者。研究者首先从患者支气管无损刷取出一些带有细胞的黏液，在体外完成筛选、扩增，再次将这些干细胞用纤维支气管镜无创移植回患者的病灶部位。 /p p 　　本研究论文对两名支气管扩张患者的症状进行了描述，自体干细胞移植后，经过3-6个月的增殖、迁移和分化，干细胞逐渐形成了新的肺泡和支气管结构，完成了对损伤组织的修复替代。移植一年之后两位患者均自述咳嗽、咳痰和气喘等症状出现改善。 /p p 　　这一技术体系的建立，不仅是很多患者的希望，同时也为健康人群提供了选择的余地。左为教授的合作伙伴之一，来自附属东方医院的任涛主任对肺脏干细胞的临床广泛应用前景信心满满：“目前我国各种肺部疾病正处于高发状态。肺部组织一旦被破坏发生纤维化，病情往往持续进展且无法逆转，除了全肺移植之外，肺脏干细胞移植是患者最后的希望所在，我们肩上的责任很大。同时，我们也呼吁把健康人群和疾病早期患者的肺脏干细胞存储提上日程。” /p p 　　2016年，由左为教授和任涛教授共同主导的“人自体支气管基底层细胞(肺脏干细胞)移植治疗间质性肺病临床研究”通过专家组评审，成为我国8家干细胞临床研究项目之一，正式从基础研究转入临床治疗研究阶段，迄今已有20多名患有肺纤维化、肺气肿等肺脏疾病病人接受治疗。 /p p 　　对于人类来说，成体干细胞就像是进化长河中一粒粒遗珠，是自然赠予人类“重生”的种子。而此次成体肺干细胞移植的成功意味着人类有能力将“希望”的种子变成现实的“果实”，随着临床试验的进一步展开及深入，终有一日，每名患者都可以阳光下，尽情肆意的呼吸。 /p

空气污染究竟是否会加重呼吸系统病毒感染？现在，中国科学家发现，答案是肯定的。中国科学院生态环境研究中心（以下简称生态中心）刘思金研究员团队与中国科学院微生物研究所（以下简称微生物所）方敏研究员等合作，发现大气细颗粒物可以打破流感病毒本身在动物体内散播方式，像“特洛伊木马”一样将病毒运送到细胞中，同时让病毒更容易进入肺脏深部，甚至进入肝脏、脾脏和肾脏等肺外器官。相关研究近日发表于《科学进展》(Science Advances) 期刊。“我们的研究详细阐释了空气污染如何影响呼吸道感染，说明了考虑空气质量管理和减少空气污染政策的紧迫性。”论文共同通讯作者刘思金对《中国科学报》说。诞生在校车上的合作2020年9月里的一天，担任环境化学与生态毒理学国家重点实验室副主任的刘思金像往常一样搭乘校车从研究所前往中国科学院大学雁栖湖校区给研究生上课。这段一个多小时的教学之旅，他喜欢在车上和邻座的老师学生们聊聊感兴趣的研究。这一次，刘思金遇到了方敏，交流中，他们发现了共同感兴趣的话题：空气污染与呼吸系统感染性疾病。近年来，越来越多的研究表明，PM2.5等大气颗粒物可以吸附携带多种病原微生物，但它们是否会增加人群的疾病风险及其相关机制并不清楚。刘思金团队主要开展大气细颗粒物暴露的健康危害研究，特别关注颗粒物诱发机体损伤效应的过程和机制；方敏团队主要从事病原微生物感染和免疫、病原与宿主互作的研究，在流感病毒的致病机理研究方面做了大量的工作。这让他们对大气细颗粒物如何影响呼吸系统病毒感染这个长期未解答的跨学科问题都十分感兴趣。两人越聊越投机，短短的旅途上，初步的合作意向已经达成。随后，两个团队合作申请了国家自然科学基金委的面上项目，以及原创性探索项目。他们开始以流感病毒为研究对象，着手研究大气细颗粒物与病毒感染之间的关系与机制。“之所以选择流感病毒，是因为流感病毒是造成呼吸系统感染的重要病原之一，并且可以在微生物所的生物安全二级实验室进行操作。我们也在小鼠流感病毒感染模型的建立方面积累了一些技术方法和实操经验。”论文共同通讯作者方敏对《中国科学报》说。细颗粒化身“特洛伊木马”流行病学研究表明，当空气污染严重时，人类呼吸道病毒传播似乎也会增加。空气中细颗粒与病毒究竟如何协作？合作团队选择了四种具有不同来源和组成的颗粒物来验证其与病毒之间的相互作用，包括大气环境中采集的PM2.5、以二氧化硅为主要成分的粉尘颗粒、通过生物质燃烧形成的生物炭颗粒以及由化石燃料燃烧产生的碳黑颗粒。“大气中的病毒不是纯粹自由态存在的，它往往是有载体的。我们发现，细颗粒物就可以作为一个载体，它们可以像‘特洛伊木马’一样将病毒运送到细胞中。”刘思金比喻说。值得注意的是，研究者发现，细颗粒物与病毒的相互作用在很大程度上依赖于其物理化学性质。例如PM2.5比其他三种细颗粒物吸附的病毒要多得多，因为它具有较高的表面积和孔隙率等特性。生物炭的病毒载量紧随其后。那么，装载在细颗粒物上的病毒是否可以感染呢？研究者通过经典的血凝素实验对细颗粒物与病毒的复合物进行了检验。“血凝素（HA）是流感病毒表面的一种糖蛋白，它能够与多种禽类和哺乳动物红细胞上的血凝素受体结合，引起红细胞凝集。”方敏介绍，研究发现细颗粒物与病毒复合物的凝聚能力是纯病毒的70%~90%，其活性在培养4小时后保持不变，这说明被吸附或者沉积在颗粒物上的病毒仍然具有较高的感染活性。针对搭载“特洛伊木马”的病毒被机体吸入后产生的损伤效应，合作团队发现所有的细颗粒物都能在不同的程度上增强病毒对细胞的感染并促进了病毒的出芽和释放。更为重要的是，小鼠实验发现颗粒物可以运载病毒进入肺脏深部，并且突破气血屏障，到达肝脏、脾脏和肾脏等肺外器官，导致小鼠产生更严重的损伤效应，包括全身性炎症、局部组织损伤和体重减轻等。“由于颗粒物的载体作用，改变了流感病毒在呼吸道的分布，并运载病毒到达肺外器官。与单独的病毒相比，复合体由于颗粒性质更容易被细胞摄取，这个过程可以不依赖病毒特异性受体。另外，颗粒物可以通过脂筏促进子代病毒出芽释放，导致病毒的整个感染过程被重排和加速了。”方敏解释说。红细胞上的流感颗粒（蓝色；人工着色），可搭载细颗粒进入细胞图片来自：NIBSC / SPL/Nature“摸着石头过河”《自然》（Nature）对这项研究进行了专文报道，认为该研究“有助于解释为什么空气污染严重时流感病毒感染更加严重”。“我们的研究为空气污染对呼吸道感染的影响提供了详细的见解，也表明了考虑空气质量管理和进一步减少空气污染政策的紧迫性。”刘思金说。刘思金课题组成员、论文第一作者董政告诉《中国科学报》，该研究从2020年9月开始，到现在花费了将近三年时间。由于研究中涉及到环境化学、病毒学以及免疫学等跨学科知识和技术方法，很多实验思路和方法都需要“摸着石头过河”，才能逐步建立。董政说，“做研究有趣的地方正在于克服一个又一个难题后的喜悦感。”不过，研究者表示，这项研究也有一定的局限性，如实验室模拟与真实的环境条件可能存在差别，同时实验动物与人体存在很大的差别，单纯动物实验得到的结论不能完全外推到人体，接下来仍需要更多的研究对此进行深入探索。空气中的细颗粒，如PM2.5、灰尘、生物炭和碳黑，可吸附不同数量的病毒，形成传染性的细颗粒-病毒复合物。复合物通过非病毒受体依赖的途径感染宿主细胞，引导病毒的内化和出芽。不同的细颗粒负载的病毒沿着呼吸道分布在不同的位置，并运输到更远处的肺外器官图片来源：受访对象

文章来自果壳网，方程佰金公司再次编辑作者Andy Coghlan 本文主要编译自World' s first biolimb: Rat forelimb grown in the lab，部分段落根据原论文进行了一些增补。文中图片来源：B J Jank, Ott Laboratory。这看起来像是一截被砍断的老鼠爪子，不过正确答案可能比你想象的更加振奋人心：这截大鼠前肢其实是科学家们在实验室中用活体细胞培育出来的人工产物。尽管尚不完美，但这一技术可能会在未来帮助人们研制出真正具有生物学功能的义肢。 “我们目前将研究的重点放在前臂与手掌上，用于模型系统的建立与基本原理的验证。”波士顿马萨诸塞州综合医院的哈拉尔德奥特（Harald Ott）是培植这条大鼠前肢的主要功臣之一。“不过，同样的技术还可应用于腿和胳膊等其他四肢部位。”“这就像现实版的科幻小说。”佛蒙特大学医学院的丹尼尔维斯（Daniel Weiss）如是说，他正在研究肺脏的再生。“这是一项激动人心的新技术，但如何制作一条功能齐备的肢体将是一大挑战。”许多接受了截肢手术的患者身上安装的义肢在外观上毫无问题，但却无法像真正的四肢那样发挥功用。现在，市面上又出现了一些利用仿生学的人工义肢，它们可以发挥功能，但不自然的外观依旧是个硬伤。手部移植手术是另外一种解决方案，目前也有不少成功的案例，但为了防止身体出现排异反应，接受移植的患者也需要终生服用免疫抑制药物。而生物肢体（biolimb）一旦成功，以上诸多问题都将迎刃而解。这种肢体由患者自身的细胞“培植”而成，因此不需要免疫抑制药物的辅助，而且它在外观和运动功能上都将与自然状态的肢体十分接近。“这是对生物肢体培育的初次尝试，而且据我所知，目前尚无其他技术培养的复合组织能够达到我们的复杂度。”奥特说。如何做出一条前肢？制作这条大鼠前肢的技术叫做“decel/recel”（分别是decellularization和recellularization的缩写，意为“脱细胞化”与“再细胞化”），之前在实验室中，这种技术已经被用于研制人造心脏、肺脏和肾脏。利用该技术制作的一些简单器官——例如气管和声带——已经被用于移植手术，并在不同程度上取得了成功。不过，它也遭到了一些非议。人造器官的第一步是“脱细胞化”：供体的器官/肢体经过去垢剂处理，剥离了全部的软组织，仅留下由惰性的胶原蛋白构成的器官“支架”，从而完好地保留它们原有的复杂结构。在此次培植大鼠前肢的实验里，血管、肌腱、肌肉和骨骼处的胶原蛋白结构在此步操作之后被存留了下来。第二步就是“再细胞化”，这时要将接受移植个体的细胞“种”在“器官支架”上，然后将它们放在生物反应器中培养，让新的组织细胞依附支架生长起来，最终使器官重新恢复“有血有肉”的状态。最终，新的器官上不会留下任何带有供体细胞特征的软组织，所以它也不会被到受体的免疫组织识别为“异己”。这样一来，排异反应就可以避免了。同样是利用脱去细胞再培养的方法，造出一条前臂可比培养气管难得多，因为前者需要培育更多种类的细胞。为了解决这个问题，奥特首先将脱细胞后的大鼠前肢“骨架”置于生物反应器当中，并利用一套人工循环设备为其提供养分、氧气以及电刺激。随后，他将人类内皮细胞注入血管的胶原支架，1个小时之后，内皮细胞重新附着在血管表面。这一步非常关键，他说，因为这样能使新长出来的血管更加结实，而不会在内有液体循环的情况下出现破裂。接下来，他将小鼠成肌细胞、小鼠胚胎成纤维细胞以及人类内皮细胞混合在一起，注入前肢支架中原本被肌肉组织占领的空位。2~3周后，血管和肌肉的重建完成。最后，奥特给前肢实施了皮肤移植手术，终于大功告成。不过，这条前肢的肌肉能用吗？为了验证这一点，研究团队利用电脉冲刺激肌肉，发现大鼠爪子真的会做出抓握动作，而且肌肉的强制性张力达到了新生大鼠肌肉的80%。“这说明我们能实现手掌的弯曲与伸展。”奥特说。他们还为若干只大鼠进行了移植手术，实际检测了这种生物肢体的功效。血管连接完成后，受体大鼠的血液顺利流入了人造前肢的血管，并且能记录到血流的脉动。不过，他们并没有在活体大鼠上测试肌肉运动功能或排异反应。 前路漫漫奥特表示，尽管他们已经完成了近百条大鼠前肢的脱细胞化，又给其中至少一半的支架“种”上了新的细胞，但目前需要做的工作还有很多。首先，他们需要在肢体里种上组成硬骨、软骨等其他组织的细胞，观察这些细胞能否再生。下一步，他们必须证明神经系统也能完成重建。前人的手部移植手术结果表明，受体的神经组织能够延伸并穿入新接上的手掌，最终实现对新器官的控制。而人工培植的生物肢体是否也能做到这一步，还有待进一步实验验证。除此之外，奥特和同事们还在论文中展示了灵长类动物前臂成功被脱细胞化（见下图）的成果。目前，他的团队已经开始在灵长类动物的“支架”上培育人类血管细胞，这是通往人类生物肢体技术的第一步。与此同时，他们也开始在大鼠试验用人类成肌细胞替代小鼠成肌细胞并观察效果。不过，奥特指出，大量的后续工作必不可少，在满足人体测试要求的生物肢体出现之前，我们至少还需要等上10年。脱细胞处理的灵长类肢体。“这是一次值得瞩目的进步，而且具备坚实的科学基础，不过，哈拉尔德的团队还需要解决一些技术上的难题。”宾夕法尼亚州匹茨堡大学的史蒂芬﹒巴蒂拉克（Steven Badylak）评论说，他曾经在猪肌肉组织制成的支架上进行移植体培育，并在13名病人当中成功实现了腿部受损肌肉的再生。“在所有这些问题当中，血液循环可能是最棘手的一个，而且你必须确保内皮细胞能覆盖到最细小的毛细血管，这样它们才不会塌陷并导致血栓，”他说道，“不过，将已知的生物学基本原理投入实际应用其实是一个工程问题，工程师们就是这么做的。”其他一些研究者提出了更多批评意见。“对于手这样的复杂器官而言，其中的组织和结构实在太多了，因此这种方法肯定是不现实的。”奥地利维也纳大学的奥斯卡﹒埃兹曼（Oskar Aszmann）说，他曾经发明了一种可以用“意念”控制的仿生手。“而且，要想让一只手实现有意义的功能，就必须让它长满成千上万的神经，这在目前依旧是一个无法逾越的难关。所以，尽管这是一项很有价值的工作，但它在当前只能停留在基础研究阶段，而无法进入临床实践。”奥特设想，将来人类的器官捐赠计划或许也将囊括四肢捐赠。用于再生血管的细胞可以从受体的小血管中获得，而肌肉细胞则可从大腿等部位的大型肌肉中取得。“如果提取大约5克（的肌肉组织），就能从中培养出人类骨骼肌成肌细胞。”仅仅在美国就有150万的截肢者，因此此项肢体再生研究具有重要的意义，奥特如是说。“目前，如果你失去了胳膊腿，或是因为癌症治疗、烧伤等缘故损伤了部分软组织，能供你选择的治疗方案是很有限的。”（编辑：窗敲雨）