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当被称作“科学怪人”时，美国得克萨斯心脏研究所再生医学研究主管Doris Taylor并不觉得这是侮辱。“这实际上是我获得的最大赞美之一。”她说。考虑到她的工作——从新近死者身上获取心脏和肺等器官，在细胞水平上重组它们，试图使其复活，以便能在活人体内再次跳动或呼吸——这个比喻确实恰当。

Taylor是致力于制造完整新器官的先锋研究者之一。新器官能确保移植时不被接受者的免疫系统排斥。策略很简单：首先从死亡器官（甚至可能来自猪）上移除所有细胞，留下蛋白质支架，然后重新注入与患者免疫匹配的干细胞。理论上，这能解决全球可移植器官严重短缺的问题。

然而，实际操作中挑战巨大。研究人员在培育相对简单的器官（如气管和膀胱）方面取得了一些成功，但培育肾脏和肺等实体器官需要让多种细胞类型精确到位，并同时生长出完整的血管网络以维持其存活。新器官还必须无菌，若患者年轻则需能生长，并具备自我修复能力。最重要的是，它们必须正常工作——理想情况下终生工作。

心脏是继肾脏和肝脏之后需求量第三的器官，仅美国就有3500名患者等待移植。心脏必须不停跳动，每天输送约7000升血液，包含由心肌细胞构成的心室和瓣膜。心脏捐赠极少，因其易受疾病或复苏术损害，因此急需生物工程改造器官的稳定供应。

Taylor领导了成功制造老鼠心脏的实验，她对这一终极挑战持乐观态度。“我认为它确实可行。”她说。但一些同行并不看好。瑞典卡罗林斯卡医学院胸外科医生Paolo Macchiarini表示，组织工程学可能适用于气管、动脉和食道等管状结构，但对更复杂的器官“没有信心”。然而，美国匹兹堡大学研究员Alejandro Soto-Gutierrez认为，即使失败，努力也值得：“除了制造可移植器官的梦想，我们还能从这些系统中学到很多。”

搭建脚手架

十多年来，生物学家能在培养皿中将胚胎干细胞变成跳动的心肌细胞。通过外部电起搏，这些细胞能同步跳动数小时。但要制成工作心脏，需要一个三维脚手架来组织细胞。研究人员最终可能利用3D打印制造这种结构，但人类心脏的复杂结构超出了当前最精密机器的能力。“多血管是主要挑战。”美国维克森林大学泌尿科医生Anthony Atala说。

目前领先技术涉及再利用。马萨诸塞州综合医院外科医生Harald Ott展示了他在Taylor培训时发明的方法：将新鲜人类心脏悬浮在玻璃和塑料制成的鼓状心室中，用泵将清洁剂送入主动脉。约一周后，清洁剂去除油脂、DNA、可溶性蛋白等，留下由胶原蛋白、层粘连蛋白等构成的细胞外基质网格——即心脏脚手架。

心脏脚手架也可来自猪。猪的细胞外基质包含所有重要成分，且不携带人类疾病。“猪组织比人类更安全，且供应无限。”匹兹堡大学再生医学家Stephen Badylak说。通过反复试验，研究人员优化了清洁剂浓度、时间和压力，简化了数百颗心脏的去细胞化过程。但这仅是第一步，下一步需要重新注入人类细胞。

注入新细胞

“再细胞化”带来新挑战。美国西北大学费恩柏格医学院外科医生Jason Wertheim指出：“第一，使用什么细胞？第二，需要多少？第三，它们应是成熟细胞、胚胎干细胞还是诱导多能干细胞（iPS细胞）？”使用成熟细胞很棘手，因为成熟心肌细胞无法增殖。大部分研究人员使用两种或多种细胞混合物，如用内皮前体细胞排列血管，用肌肉前体细胞制作心室壁。Ott从iPS细胞派生这些细胞，iPS细胞可取自患者，制造免疫匹配的组织。

原则上，iPS细胞方法能提供新心脏及其所有细胞类型，但实践中存在问题。人类心脏尺寸巨大：制造100万个细胞是一回事，制造1亿或500亿个细胞是另一回事。此外，当iPS细胞在成人心脏支架内重复胚胎发育时，正确的细胞类型是否会发育尚不确定。当细胞占领脚手架后，一些未成熟细胞会扎根生长，但要刺激它们成为功能性心肌细胞，需要更多氧气和生长因子。“细胞能感受环境。”美国明尼苏达大学Angela Panoskaltsis-Mortari说。

因此，研究人员必须将心脏放入模拟跳动感觉的生物反应器中。他们面临一场持续的战斗，试图模仿人体内条件，如心率、血压或药物变化。“身体能迅速反应，很难在生物反应器中模仿。”Badylak说。当Taylor和Ott首次发明生物反应器时，他们知道要边走边学。最终，在反应器中8～10天后，心脏能自己跳动，并产生正常成年小鼠心脏约2%的泵送能力。

跳动起来

最终挑战是将新生长的人造心脏植入活体动物并保持长时间跳动。完整脉管系统是第一个障碍。“你需要非常完整的内皮细胞内衬每一条脉管。”美国马里兰ACell公司Thomas Gilbert说。Ott已证明人造心脏能存活一段时间：他的团队为老鼠移植了单一生物工程改良肺，能进行气体交换，但肺腔很快充满液体。他们也植入人工心脏，尽管能补充血液并跳动，但没有任何心脏拥有泵血功能。在能移植到比老鼠大的动物之前，需要证明人造心脏有更高能力。“我们还停留在初级阶段。”Panoskaltsis-Mortari说。

Ott等人发展的去细胞化过程已预示着心脏和其他器官的改良组织瓣膜的发展。例如，生物工程改良瓣膜能比机械或死组织瓣膜维持更长时间，因为能在患者体内生长和自我修复。其他器官可能不需要完全被取代。“如果在未来5～7年里，你看不到有患者植入至少动脉的一部分、肺叶、肝脏叶等，我会很惊讶。”Badylak说。但Taylor怀疑局部方法能否救助患有严重心脏缺陷的患者，如左心发育不全综合征。重建另一半“本质上迫使你建造需要的大部分东西”。也许，罐子里幽灵般的漂浮器官看起来像科学怪人故事的可怕模仿，但Taylor说她的工作是“爱的劳动”。