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2024-11-21 11:57
科技

“这是人的备件”:实验室培养的血管大显身手

科学家利用人体细胞培养出了动脉,能更好地治疗受伤的患者。这些血管已经在乌克兰士兵身上发挥了良好功效。这种突破有望帮助许多人解决循环系统的问题。
实验室培养的血管大显身手
Liz Essley Whyte


科学家们希望,实验室培养的人体组织能够在医疗领域得到广泛运用。

世界各国的研究人员正在努力利用人体细胞培养心脏瓣膜和肺等组织。一些产品已经成功推向市场,比如膝关节软骨和移植用皮肤,但在解剖学构造较为复杂的人体组织方面,多年来一直进展缓慢。

现在,科学家在组织工程学方面取得了突破,这种突破可望帮助许多人解决循环系统的问题。

其中走得最远的一家公司是总部位于北卡罗来纳州达勒姆的Humacyte,这家生物技术公司做实验室培养的血管,有望造福外伤患者以及使用导管透析或因肢体血液循环不畅而疼痛的患者。

用实验室培养的新血管来取代旧血管,可为外科医生提供一种与现在截然不同的方法,来帮助那些动脉因爆炸或车祸而撕裂的患者。目前,医生通常使用塑料制的合成移植物(可能导致凝血和其他问题),或者使用从患者身体另一部位切下的血管。

“这是人体备件,”Humacyte的首席执行官劳拉·尼克拉森(Laura Niklason)博士说。该公司的血管具有类似动脉的厚壁,也可以替代静脉,不过外科医生很少修复或替换静脉。

来看看该公司的培养过程。首先,在一个装满蛋白质、生长因子、维生素、矿物质和葡萄糖等细胞营养物质的袋子里放入一根由可降解塑料网制成的管子。

接下来,他们在袋中加入来自人类捐献者的血管细胞。两个月后,塑料支架降解,细胞形成人体动脉,后者含有使血管具有强度的胶原蛋白和蛋白质。

随后,Humacyte用一种特殊的洗剂洗去活细胞。留下的是一根灰白色的管子,质感和功能都跟血管差不多。

该公司已开始在患者身上测试这项技术,并向美国食品药品管理局(Food and Drug Administration, 简称FDA)提出了申请,希望批准将该技术用于治疗创伤。

这项技术的批准将成为组织工程学领域的里程碑,如果获得批准,Humacyte今后便可以提供不同尺寸和不同用途的血管。Humacyte已将逾500根这类血管植入人体。

外科医生植入胶原蛋白管后,该装置便开始在体内输送血液。随后,患者自己的细胞开始填充到管内。

“我们植入的东西就像一栋空公寓楼,”尼克拉森说。“细胞一旦搬进去,感受到周围的胶原蛋白和蛋白质,它们就会说,‘哦,我在一条血管里,’然后它们会逐渐变成血管细胞。”

该公司的研究显示,16周后,沿着植入的胶原蛋白管长出了患者自己的活血管细胞层。

这种被称为“无细胞组织工程血管”的动脉获得FDA批准后,将首先运用于外科医生没有时间从患者身体其他部位寻找血管或者无其他健康血管可用的情况。

该公司表示,在技术安全性方面没有出现意外问题,但在临床试验中,一些患者出现了贫血、血凝块、便秘、发烧和肿胀等症状。使用人工合成移植物治疗的患者通常也会出现这些症状。Humacyte称,将根据临床试验结果,基于实验室培养血管在减少感染和截肢等代价高昂的并发症方面的价值,对这类血管进行定价。

Humacyte的实验室培养血管可以直接使用,不像一些其他类型的组织和血液制品那样需要解冻或再水化,因此便于医院储存。该公司的数据显示,其性能优于通常由Gore-Tex等塑料材料制成的合成血管,后者可能导致凝血和感染。

该技术已在一些外伤患者身上显现疗效。该公司在美国和以色列进行了临床试验,用这种方法有效治疗了69名因枪击、工伤事故、车祸和其他创伤而受伤的患者。Humacyte的产品还通过一项经FDA批准的特别人道主义计划,用于治疗乌克兰的19名士兵。其中许多士兵是被爆炸物炸伤的。

Humacyte收集的数据显示,与以往使用人工合成移植物的患者相比,使用这种血管的患者血流更通畅,需要截肢的几率也较低。尼克拉森和同事原本并没有打算在乌克兰测试这项技术,但他们接到了乌克兰外科医生的电话,希望他们将产品送往战区。Humacyte通过Zoom来培训乌克兰外科医生如何使用这些实验室培养的血管。

“这种血管挽救了生命,挽救了肢体,”乌克兰血管外科医生奥列克桑德·索科洛夫(Oleksandr Sokolov)说,索科洛夫用Humacyte的产品为10名士兵做了手术。

Humacyte正在研究这种血管是否也能帮助透析患者,透析患者通常不得不依赖可能导致感染的塑料导管。他们还在对外周动脉疾病患者进行测试,这种疾病会导致血管狭窄,从而引起疼痛。

该公司表示,Humacyte还能帮助心脏搭桥患者。心脏搭桥术是从人体其他部位采集动脉或静脉,然后缝合到心脏,使血液绕过阻塞的血管。有了实验室培养的血管,就不必再从自体采集血管。下一步将开展心脏搭桥和小儿心脏手术的临床试验。

“如果能像该公司所说的那样发挥作用,这就是一项极其重大的进展,”杜克大学医学院外科系主任艾伦·柯克(Allan Kirk)博士说。“精妙之处在于,我们认识到不需要培养血管,只需要放上支架即可,剩下的事情就让身体来做。”他未在该公司担任正式职位,也没有参与该公司的临床试验,但确曾帮助Humacyte申请过一项经费。

1986年,科学家首次报告了人造血管培养方面的研究。1999年,尼克拉森将实验室培养的动脉植入猪的体内。2001年,医生将一条组织工程血管缝合到人体内。

俄亥俄州哥伦布市国家儿童医院再生医学中心主任克里斯托弗·布鲁尔(Christopher Breuer)博士说,经过多年的研究,实验室培养组织有了长足发展,即将彻底改变心血管医学的面貌。

布雷尔正在领导一项临床试验,在这项试验中,医生从有先天性心脏缺陷的儿童身上提取骨髓,在几个小时之内将这些骨髓细胞铺在可生物降解的支架上,然后在手术中用它来修复缺损。支架植入后会降解,一条新的血管也会形成。

布鲁尔说,儿童尤其能从组织工程心脏“部件”中获益,因为它们可以随着病人的成长而生长,而不像人工合成的固定装置那样,孩子长大后就必须更换。

展望未来,肝脏或心脏等实验室培养的器官也将问世。科学家已经培养出肺,并将它们植入老鼠体内。但布鲁尔说,任何需要微小、精细血管网络的器官都更难取得完美效果。

注:本文仅代表作者个人观点     

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科学家利用人体细胞培养出了动脉,能更好地治疗受伤的患者。这些血管已经在乌克兰士兵身上发挥了良好功效。这种突破有望帮助许多人解决循环系统的问题。
Liz Essley Whyte


科学家们希望,实验室培养的人体组织能够在医疗领域得到广泛运用。

世界各国的研究人员正在努力利用人体细胞培养心脏瓣膜和肺等组织。一些产品已经成功推向市场,比如膝关节软骨和移植用皮肤,但在解剖学构造较为复杂的人体组织方面,多年来一直进展缓慢。

现在,科学家在组织工程学方面取得了突破,这种突破可望帮助许多人解决循环系统的问题。

其中走得最远的一家公司是总部位于北卡罗来纳州达勒姆的Humacyte,这家生物技术公司做实验室培养的血管,有望造福外伤患者以及使用导管透析或因肢体血液循环不畅而疼痛的患者。

用实验室培养的新血管来取代旧血管,可为外科医生提供一种与现在截然不同的方法,来帮助那些动脉因爆炸或车祸而撕裂的患者。目前,医生通常使用塑料制的合成移植物(可能导致凝血和其他问题),或者使用从患者身体另一部位切下的血管。

“这是人体备件,”Humacyte的首席执行官劳拉·尼克拉森(Laura Niklason)博士说。该公司的血管具有类似动脉的厚壁,也可以替代静脉,不过外科医生很少修复或替换静脉。

来看看该公司的培养过程。首先,在一个装满蛋白质、生长因子、维生素、矿物质和葡萄糖等细胞营养物质的袋子里放入一根由可降解塑料网制成的管子。

接下来,他们在袋中加入来自人类捐献者的血管细胞。两个月后,塑料支架降解,细胞形成人体动脉,后者含有使血管具有强度的胶原蛋白和蛋白质。

随后,Humacyte用一种特殊的洗剂洗去活细胞。留下的是一根灰白色的管子,质感和功能都跟血管差不多。

该公司已开始在患者身上测试这项技术,并向美国食品药品管理局(Food and Drug Administration, 简称FDA)提出了申请,希望批准将该技术用于治疗创伤。

这项技术的批准将成为组织工程学领域的里程碑,如果获得批准,Humacyte今后便可以提供不同尺寸和不同用途的血管。Humacyte已将逾500根这类血管植入人体。

外科医生植入胶原蛋白管后,该装置便开始在体内输送血液。随后,患者自己的细胞开始填充到管内。

“我们植入的东西就像一栋空公寓楼,”尼克拉森说。“细胞一旦搬进去,感受到周围的胶原蛋白和蛋白质,它们就会说,‘哦,我在一条血管里,’然后它们会逐渐变成血管细胞。”

该公司的研究显示,16周后,沿着植入的胶原蛋白管长出了患者自己的活血管细胞层。

这种被称为“无细胞组织工程血管”的动脉获得FDA批准后,将首先运用于外科医生没有时间从患者身体其他部位寻找血管或者无其他健康血管可用的情况。

该公司表示,在技术安全性方面没有出现意外问题,但在临床试验中,一些患者出现了贫血、血凝块、便秘、发烧和肿胀等症状。使用人工合成移植物治疗的患者通常也会出现这些症状。Humacyte称,将根据临床试验结果,基于实验室培养血管在减少感染和截肢等代价高昂的并发症方面的价值,对这类血管进行定价。

Humacyte的实验室培养血管可以直接使用,不像一些其他类型的组织和血液制品那样需要解冻或再水化,因此便于医院储存。该公司的数据显示,其性能优于通常由Gore-Tex等塑料材料制成的合成血管,后者可能导致凝血和感染。

该技术已在一些外伤患者身上显现疗效。该公司在美国和以色列进行了临床试验,用这种方法有效治疗了69名因枪击、工伤事故、车祸和其他创伤而受伤的患者。Humacyte的产品还通过一项经FDA批准的特别人道主义计划,用于治疗乌克兰的19名士兵。其中许多士兵是被爆炸物炸伤的。

Humacyte收集的数据显示,与以往使用人工合成移植物的患者相比,使用这种血管的患者血流更通畅,需要截肢的几率也较低。尼克拉森和同事原本并没有打算在乌克兰测试这项技术,但他们接到了乌克兰外科医生的电话,希望他们将产品送往战区。Humacyte通过Zoom来培训乌克兰外科医生如何使用这些实验室培养的血管。

“这种血管挽救了生命,挽救了肢体,”乌克兰血管外科医生奥列克桑德·索科洛夫(Oleksandr Sokolov)说,索科洛夫用Humacyte的产品为10名士兵做了手术。

Humacyte正在研究这种血管是否也能帮助透析患者,透析患者通常不得不依赖可能导致感染的塑料导管。他们还在对外周动脉疾病患者进行测试,这种疾病会导致血管狭窄,从而引起疼痛。

该公司表示,Humacyte还能帮助心脏搭桥患者。心脏搭桥术是从人体其他部位采集动脉或静脉,然后缝合到心脏,使血液绕过阻塞的血管。有了实验室培养的血管,就不必再从自体采集血管。下一步将开展心脏搭桥和小儿心脏手术的临床试验。

“如果能像该公司所说的那样发挥作用,这就是一项极其重大的进展,”杜克大学医学院外科系主任艾伦·柯克(Allan Kirk)博士说。“精妙之处在于,我们认识到不需要培养血管,只需要放上支架即可,剩下的事情就让身体来做。”他未在该公司担任正式职位,也没有参与该公司的临床试验,但确曾帮助Humacyte申请过一项经费。

1986年,科学家首次报告了人造血管培养方面的研究。1999年,尼克拉森将实验室培养的动脉植入猪的体内。2001年,医生将一条组织工程血管缝合到人体内。

俄亥俄州哥伦布市国家儿童医院再生医学中心主任克里斯托弗·布鲁尔(Christopher Breuer)博士说,经过多年的研究,实验室培养组织有了长足发展,即将彻底改变心血管医学的面貌。

布雷尔正在领导一项临床试验,在这项试验中,医生从有先天性心脏缺陷的儿童身上提取骨髓,在几个小时之内将这些骨髓细胞铺在可生物降解的支架上,然后在手术中用它来修复缺损。支架植入后会降解,一条新的血管也会形成。

布鲁尔说,儿童尤其能从组织工程心脏“部件”中获益,因为它们可以随着病人的成长而生长,而不像人工合成的固定装置那样,孩子长大后就必须更换。

展望未来,肝脏或心脏等实验室培养的器官也将问世。科学家已经培养出肺,并将它们植入老鼠体内。但布鲁尔说,任何需要微小、精细血管网络的器官都更难取得完美效果。

注:本文仅代表作者个人观点     

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