Science：器官移植将像换零件一样简单
还记得英国诗人雪莱的妻子玛丽·雪莱在1818年创作的小说《弗兰肯斯坦》吗？这被认为是世界上第一部真正意义上的科幻小说。小说中的科学家弗兰肯斯坦用各种人体器官拼凑出一个“人”，并用电击使其“复活”。现代科学中的器官移植是一个复杂的过程，需要攻克排异、感染等诸多难关，而用各类器官组装活人，只能存在于科幻小说中。但最近，美国科学家研发出一种新技术，给人体器官移植带来了新希望。
据美国《科学》杂志9月号报道，哈佛大学工程与应用科学院（ＤＥＡＳ）的研究人员，将老鼠心脏的肌肉细胞植覆在有弹性的膜状基质上，制造出了具有良好生物机能的混合肌肉薄膜（ＭＴＦ）。科学家将薄膜切割成不同形状，制出的各种小装置竟可以在电流作用下自如运动。研究人员表示，ＭＴＦ最大的应用前景在于制造出人造器官。如果这种技术得以广泛应用，将使器官移植变得十分简单。
让细胞组成“合唱团”
如今，器官移植早已走出了科幻小说。人类目前主要进行的是异体器官移植，由于器官捐献者有限，加上技术难题，这种移植方法的局限性十分明显。人造器官研究已成为生物学界的一个前沿领域。
与几十年前相比，目前，科学界已经在机体组织替代材料上取得了很大进步，一些公司甚至已经开始大规模生产替代皮肤和软骨。科学家们也曾尝试过在胶体中培养心肌细胞等，但用这些技术制造出的人造肌肉材料，远不能符合要求。
而四肢、心脏等很多重要人体器官的机能是由其肌肉组织决定的。肌肉组织的微观运动，取决于肌细胞内一种被称为“分子马达”的蛋白质。要控制肌肉组织的运动，就必须让肌细胞统一排列，这样“分子马达”才会受外界信号控制，实现复杂的弯曲、变形过程。而一个很小的肌肉组织里就有上千亿个细胞，要使如此多的细胞统一排列，简直比登天还难。这也是多年来困扰科学家的一大难题。
哈佛大学的一位研究人员基特·帕克，却通过特殊方法，成功解决了这一问题。一天，帕克在观看歌剧院的合唱演出时注意到，合唱团前面一排成员站成一排后，后面的成员就会跟着依次排列，最后形成一个统一的整体。帕克从中受到启发，他认识到，只要找到一种载体让一些肌细胞统一排列，其他肌细胞就会按照这种次序排列。
帕克率领他的研究小组经过多年研究，终于找到了这种载体——纤粘蛋白（ｆｉｂｒｏｎｅｃｔｉｎ），它能让单层肌细胞有序排列。他们首先在一种载玻片上设置一薄层热敏聚合物材料，然后在其上添加一层具有很强活性的高乙烯基含量硅橡胶（ＰＤＭＳ）。利用特殊工艺，研究人员在这两层衬底上“印”下了已成型的纤粘蛋白层，然后把小鼠的心肌细胞紧密附在该蛋白层之上。果然，当首批心肌细胞在膜状基质的表面按一定方向排列之后，后面生长出来的肌细胞也沿着这个初始方向生长。培育数日后，研究人员降低温度，热敏聚合物、ＰＤＭＳ等支架部分就会脱离，剩下的就是具有良好弹性的混合肌肉薄膜（ＭＴＦ）。
肌肉薄膜造出神奇装置
研究人员目前已经制造出三角形、矩形等形状的肌肉薄膜（ＭＴＦ），这些材料已经展现出完美的生物机能。ＭＴＦ的运动特性随形状的不同而改变，这意味着，能通过改变形状让其发挥不同的作用。
为了测试ＭＴＦ的性能，科学家们用它制造出了各种不同的神奇装置，这些装置都“听命”于人，有会游泳的机器人、人造爪子和微型机器人等。科学家使用电能来驱动这种新材料的运动，微弱的电流可以驱动肌肉细胞伸缩、变形，进而改变肌肉薄膜的形状。
科学家们根据三角形ＭＴＦ的特殊性质，制造出了一种形状像斑马鱼的小装置，它可以左右摆动尾部而产生前进的推力，以垂直姿态在水中沿着固定方向前进。科学家们使用肌肉薄膜制造出一种微型爬行机器人。这种机器人的身体呈圆形，背部的一条“腿”可以驱动机器人缓慢爬行运动。能够自动卷起来的微型人造爪子，可以在通电的时候产生蜷缩，抓起并移动单个细胞。研究人员表示，这种人造爪子的使用前景十分广阔，将可能在未来的生物工程中被制成专门抓取细胞的“生物起重机”。
虽然ＭＴＦ在设计之初就不是为了打破什么速度纪录，到目前为止，人工肌肉每分钟只能前进1英寸（约2．4厘米），但科学家通过这一系列试验，得到了一个“潜力股”——人造肌肉的生物机能确实可以与机体的肌肉组织一较高下。如果将这种特性充分发挥出来，人工肌肉在人造器官方面的应用潜力将不可限量。
人体器官有望批量生产
肌肉薄膜具有令人不可思议的生物机能，哈佛大学的研究人员基特·帕克及其研究小组的工作引起了广泛关注。许多同行认为，帕克革命性地提高了人类操作细胞排列的能力，在制造复杂的人体器官方面取得了重大突破。但帕克和他的研究人员又看到了意义更深远的东西。
帕克对外界表示，“没有任何理由表明，ＭＴＦ不能由其他种类的细胞组成”。例如，由心肌细胞组成的ＭＴＦ可以替代人体心脏的病变组织，而用该技术还可制造出大量完美的皮肤组织，给严重烧伤的病人带来希望。
该研究小组认为，目前的研究成果只是整个研究过程的冰山一角而已。科学家们正在尝试在肌肉薄膜表面种植人体细胞，以研究这类材料制造人造器官和人体膜结构的可能性。人造膜结构在修补胃、肠道上的穿孔时，将会体现出惊人的价值。更令人振奋的是，新材料在手臂、腿、心脏等人体器官方面的应用。想象一下：医生检测出某人的器官发生了严重病变，解决办法却一点儿也不复杂，只需在体外“种”出一个一模一样的器官，再将其移植到病人体内就可以了。整个过程就像换零件一样简单。有科学家甚至大胆预测，在本世纪末，诸如四肢、心脏等重要器官，将实现批量生产。
除了应用于器官移植外，新材料在其他方面的应用也不可估量。哈佛大学的研究人员帕克博士曾举例说：“章鱼可以使身体钻进任何形状的孔洞，并且可以向任何方向转动。如果人造肌肉可以仿造章鱼的运动模式，那我们就可以制造出‘柔软机器人’。”（中国青年报）
原始出处：
Science 7 September 2007:
Vol. 317. no. 5843, pp. 1366 - 1370
DOI: 10.1126/science.1146885
Muscular Thin Films for Building Actuators and Powering Devices
Adam W. Feinberg,1 Alex Feigel,2 Sergey S. Shevkoplyas,2 Sean Sheehy,1 George M. Whitesides,2* Kevin Kit Parker1*
We demonstrate the assembly of biohybrid materials from engineered tissues and synthetic polymer thin films. The constructs were built by culturing neonatal rat ventricular cardiomyocytes on polydimethylsiloxane thin films micropatterned with extracellular matrix proteins to promote spatially ordered, two-dimensional myogenesis. The constructs, termed muscular thin films, adopted functional, three-dimensional conformations when released from a thermally sensitive polymer substrate and were designed to perform biomimetic tasks by varying tissue architecture, thin-film shape, and electrical-pacing protocol. These centimeter-scale constructs perform functions as diverse as gripping, pumping, walking, and swimming with fine spatial and temporal control and generating specific forces as high as 4 millinewtons per square millimeter.
1 Disease Biophysics Group, School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
2 Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138, USA.
* To whom correspondence should be addressed. E-mail: gwhitesides@gmwgroup.harvard.edu (G.M.W.); kkparker@seas.harvard.edu (K.K.P.)
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