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心脏移植的数量太少 于是科学家想给心脏"打补丁"

2018/3/28 18:27:51  来源:互联网  作者:佚名 
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心脏骤停会导致部分心脏组织坏死,而死亡后的细胞就无法重新恢复生机。但是科学家们正在寻找扭转这一局面的方法,并可能拯救成千上万的人。

当某人心脏病发作时,医生喜欢说,时间就是肌肉。心脏依赖于冠状动脉持续提供氧气,如果这些细胞的供养被阻断,心脏肌肉细胞就会在几分钟内死亡。在许多情况下,除非医生能在一小时内解除阻塞,否则超过10亿的肌肉细胞将不可逆转地坏死。


那些幸存下来的人往往也会留下永久性的心力衰竭后遗症。仅在英国,大约就有45万人受此困扰。在心脏病发作后的5年内,50%的人可能会失去生命。英国剑桥阿登布鲁克医院的心脏病专家桑杰·辛哈(Sanjay Sinha)说:“最终,他们的心脏变得非常虚弱,以至于无法维持足够的血液流动,直至完全停止。”


但在未来5年内,再生医学可能提供全新的选择:即培育出鲜活的、跳动的“心脏补丁”。挑战在于,不同于我们的其他器官,比如皮肤和肝脏,心脏的自我修复能力非常有限。心肌细胞的复制速度仅为每年0.5%,不足以修复任何重大损害。取而代之的是,坏死的细胞被厚厚的坚硬疤痕组织所取代,这意味着心脏的部分功能不再发挥作用。

图2:那些在心脏骤停后存活下来的人会留下永久性的心脏衰竭后遗症


目前,对心脏衰竭患者唯一的医疗选择就是心脏移植。但捐赠器官的缺乏意味着,每年在英国只能进行200例这样的手术。辛哈说:“我认为我们不可能得到所需要的捐助数量,因为没有成千上万拥有健康心脏的年轻人死亡。只有少数死于交通事故或头部创伤的人,他们的心脏仍然强健有力,可以用来做移植手术。”


干细胞医学可能提供另一种选择。在临床试验中,科学家试图从病人血液或骨髓中提取干细胞,并直接将它们注入心脏以重塑受损部位,这种干细胞可以发育成许多不同类型的细胞。虽然这些方法已经成功地帮助受损的血管再生,从而改善了心脏的血液流动,但在解决主要问题方面——损伤的心肌重生,它们的用处微乎其微。这是因为95%的注射干细胞无法附着在心脏上,而是立即被血液所吸收。


但是,与剑桥大学干细胞研究所的干细胞生物学家们一起,辛哈正在研究稍微不同的想法——心脏补丁。这些微小的、跳动的心脏肌肉每个面积小于2.5平方厘米,有半厘米厚,生长在实验室器皿中。经过一个月的培养,心脏补丁由血细胞重组,并形成特定的干细胞,进而可以转化为人体的任何细胞。在心脏衰竭患者中,它们会发育成心肌细胞、血管细胞以及心外膜(心脏周围的膜)。


这些心脏细胞群随后生长在特殊的支架上,并将它们组织成类似于真实心脏的器官组织。辛哈说:“我们相信,这些补丁将更有可能被自然地吸收到患者的心脏中,因为我们正在创造拥有完整功能的组织,通过将所有这些不同类型的细胞结合在一起,这些组织可以搏动和收缩。我们知道,心外膜细胞在协调心脏肌肉的正常发育方面尤为重要,因为研究表明,在胚胎发育过程中,心外膜和发育中的心脏之间存在大量的互相转换现象。”


辛哈目前正在准备试验这些心脏补丁,首先是在老鼠身上,然后是猪身上。如果一切按计划进行,5年后他可能准备进行第一次人体试验。


辛哈并非唯一进行心脏补丁开发的人。在美国,来自斯坦福大学、杜克大学和威斯康辛大学的科学家团队也在合作努力构建心脏补丁。和辛哈一样,他们设想了一种未来程序,通过超声波和核磁共振成像扫描来确定心脏上的疤痕结构。根据伤疤的形状,他们会用3D打印出任何形状或尺寸的定制心脏补丁。医生会打开患者胸腔,将补丁直接缝入心脏,与现有的静脉和动脉相连。


图3:新工艺将包括将3D打印的贴片直接缝入心脏中


威斯康星大学再生生物学教授蒂姆·坎普(Tim Kamp)说:“对于心力衰竭严重的患者来说,在整个心脏扩张过程中,需要在多个地方进行多次修补以修复损伤。它会改变形状,有时像橄榄球,有时候又像气球或篮球。”


这种方法的主要挑战之一是如何将新补丁与心脏进行电整合,以确保两者同步。任何有缺陷的电连接都会刺激异常的心律。坎普说:“我们可以用手术工具把补丁放在心脏上,但我们不能强迫它们结合。不过,我们希望他们能够兼容。我们预期电信号会像波浪那样穿过心肌,并告诉它以与新补丁同样的速率收缩。”


如果这些挑战能被克服,辛哈相信他们不仅可以拯救生命,还能节省更多开支。在英国,心脏移植手术费用约为50万欧元(约合69万美元),包括住院治疗费用。但是,对于那些无法接受移植手术的成千上万的心力衰竭患者来说,持续的医疗护理和反复住院的费用可能会更高。相比之下,目前估计心脏补丁治疗的潜在成本约7万欧元(约合9.6万美元)。


此外,由于这些心脏补丁是用患者自己的血液培育的,所以接受手术的病人不必经历心脏移植的并发症,比如高剂量的免疫抑制药物。坎普说:“受伤的心脏处于高度发炎、充满敌意的状态,这种环境对新器官组织来说很难生存。而这些心脏补丁的优点在于,它们是病人专属的,所以心脏不太可能排斥它们。”


研究人员说,这项技术可以改变世界上数百万人的生活。辛哈表示:“心力衰竭可能会使人丧失大部分能力。你总是感到疲惫不堪,甚至无法爬上一段楼梯。但这是有史以来第一次,我们认为能够重建真实的心脏组织,它和病人的心脏组织完全相同,细胞之间以神秘而奇妙的方式相互交谈。如果我们能在接下来的几年里对它进行微调,确保它是完全安全的,那么它就能帮助这些人重新过上正常的生活。”


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