工程化的人造组织是治疗损伤和疾病的天然替代物，但它们的制造者却是身体自身的细胞。

在公元3世纪关于圣徙Cosmos和Damian的传说中，一个刚死去的摩尔奴隶的腿被移植到一个刚刚被截肢的罗马教士身上。教士的生命危在旦夕，但是通过施行移植手术，教士活了下来。这项治疗奇迹归功于一对圣洁的兄弟，他们都是内科医生，于公元295年殉难。在一个时代被认为是不可思议的事在另一个时代也许就仅仅是一件显而易见的事了，在过去的30年中，外科医生不仅已经能够重新移植被截断的附肢，而且像心脏、肝脏、肾脏之类的器官移植也已经很普遍——事实上，已经普遍到移植的主要障碍并不在于外科技术上，而在于日益短缺的供体器官的来源上。

在下一个30年中，医学科学将超越移植操作本身，而进入一个创造的时代。就是说，去制造器官，而不仅仅是移植它们。细胞生物学和塑料制造技术的进展使得研究者们能够构建出外观和功能都与天然物相似的人造组织。遗传工程将创造出通用的供体细胞来制造这些工程化的组织——这些细胞不会激发免疫系统的排斥反应。在这类创造普及以前，“造桥”技术将作为中间过渡步骤。比如，动物来源的器官移植也许有助于缓解器官短缺的问题。目前正在研究的几个方案包括培育组织能被人体免疫接受的动物，或者研制药物使这些组织能被人体所接受。再者，微电子技术也有助于弥补新技术与老技术之间的缝隙。这些成果都将给危急病人的治疗带来巨大的变化，

每年都有上百万的美国人由于事故、先天缺陷和癌症等疾病导致器官和组织的缺损。在过去的半个世纪里，新型药物、外科手术技术、医疗器材等已经大大改善了这些病人的治疗。免疫抑制药物，像Cyclosporine和tacrolimus（Prograf），能抑制移植组织的排斥；腹腔镜能减少手术痛苦，是损伤程度最小的外科技术；渗析和心肺机能够维持生命垂危的病人的生命。

但是这些治疗还是不完善，经常会损害生活的质量。例如，用注射胰岛素来控制糖尿病也仅仅部分上是成功的。每天注射一次或几次胰岛素有助于糖尿病人的细胞从血液中吸收葡萄糖（一种重要的能量来源），但是每个糖尿病人的最适胰岛素剂量每天甚至每小时都有很大变化。常常由于不能精确控制胰岛素的注射数量维持血糖的正常水平，导致日后出现失明、肾衰竭和心脏病等并发症。

生物传感器装置和给药方式的新研究有朝一日或许将淘汰胰岛素注射法。在许多糖尿病人中，这种病是由于胰腺中产生胰岛素的胰岛组织被破坏引起的，在另一些病人中，虽然胰腺能产生胰岛素，但不能满足身体需求。有可能设计出一种植入体内或戴在体外的装置，能够模仿胰腺的功能，持续监控葡萄糖水平并相应分泌适量的胰岛素。

人造胰腺

现在已经有许多像手表一样能佩戴在身上的体外葡萄糖传感器。麻省理工学院（MIT）、加洲大学旧金山分校（UCSF）和其他一些地方的最新研究表明电场或低频超声波能够瞬时增加皮肤的渗透性，使得体内的葡萄糖等分子渗透出来。渗出的葡萄糖量可用酶反应测定出来，或者用光传感器探测血液中葡萄糖的吸收值。

这些传感装置可通过微处理器与一个动力装置相连，将胰岛索以与葡萄糖渗出皮肤相似的方式透过皮肤进入血流。通过的量与探测到的葡萄糖的量成正比。

还可以用半透性塑料制成可植入式装置。这种装置带有贮存胰岛素和葡萄糖氧化酶的基质，能被插在身上几个不同的位点。当病人的葡萄糖水平升高时，葡萄糖会扩散进基质与酶发生反应，分解产生一种酸性物质。酸性的增加改变塑料的通透性，或者改变贮存在里面激素的溶解性，这样随着葡萄糖的升高，就释放出相应量的胰岛素。这种装置可以使用一辈子，但它贮存的葡萄糖氧化酶和胰岛素需要定期添加。

理想的移植就是采用健康的胰岛细胞本身作材料，这是胰岛细胞移植的基本原理。研究人员正在想方设法提高移植的成活率，但胰岛细胞的供应问题仍然存在。与其他所有可移植的器官一样，人胰腺组织的量远远满足不了需要。因此，研究人员正在探索用动物的胰岛替代。他们也正在研究产生胰岛组织的方法，这种组织不是凭空产生，而是从病人、近亲属或通用供体细胞库的细胞繁殖而来。细胞能在体外增殖，然后再移植回到病人体内。

将塑料植入组织

组织工程中的许多做法都依赖于运用可生物降解的超纯塑料或适合作细胞培养和移植底物的多聚体，这些多聚体既有相当的机械强度，又有高面积/体积比。其中许多都是20年前开始使用的可降解缝线的衍生物。运用计算机辅助设计和制造技术，研究者们将塑料制成模仿特定组织甚至器官形状的复杂的框架结构。这些框架结构经化合物处理，使细胞能粘附其上并增殖，然后把细胞“接种”上去。随着细胞的分裂和聚集，塑料降解了。最后只剩下粘附在一起的组织。然后将这新的永久组织移植入病人体内。

最近我们小组在动物模型中演示了这种方法，用动物血管衍生细胞制造出肢体中的人造心脏瓣膜。在过去的几年中，生长在多聚体底物上的人的皮肤已经用于烧伤病人和糖尿病人溃烂足部的移植，取得了一些成功。在某些病例中皮肤的外皮层会引起排斥，但使用通用的供体外皮细胞将会解决这个问题。

像肾和肝这样的整个器官随后也会被设计、制造出来，植入病人的体内。虽然几个细胞在多聚体框架上不大可能长出一个有功能的完整器官，但是我们的心脏瓣膜研究表明细胞非常善于组织它们原先的器官的再生。它们同样能使用器官在子宫内发育时所用的细胞外信号在这种三维培养物中互相联系。我们有充分的理由相信，只要给予合适的条件，细胞自身就能完成器官重建的一切细节，外科医生只需将器官与病人的神经、血管和淋巴管完美地连接起来。

同样，工程化的结构组织也将替代今天用来修复骨骼和关节损伤的塑料和金属假体。这些活的植入物将与周围的组织不留痕迹地融合起来，消除目前假体使用中恼人的感染和关节松动问题。运用计算机辅助外廓成像并将软骨细胞接到多聚体框架上，像鼻子和耳朵这样复杂、形状规格化的器官也可以构建出来；事实上，我们实验室已经造出了这些器官并移植到动物身上，其他一些结构组织，从尿道到乳腺组织，也可以根据同样的原理构造出来。乳房切除术后，长在可生物降解多聚体上的细胞就能替代完整天然乳房。

组织工程最终将创造出像手掌和手臂这样复杂的身体部分。这些部分的结构已经能够在多聚体框架上复制出来，绝大多数的相关组织类型——肌肉、骨骼、软骨、腱、韧带和皮肤一也能培养生长。可以设计出一种机械式的生物反应器系统在组织成熟时用来提供营养，交换气体，运走废物和调节体温。要完成这一工程剩下的唯一障碍就是神经组织不能再生。到目前为止，还没有人能成功地培养人的神经细胞。但许多研究正致力于解决这个问题，许多研究者相信能够克服它。

同时，新的微电子装置也将能替代工程化神经组织的移植。例如，有朝一日植入一块微芯片也许能恢复那些由于视网膜疾病而失明的人的部分视力。在两种最普通的视网膜疾病（色素性视网膜炎和黄斑退化）中，视网膜上的接受光感的神经节细胞道到破坏，但从这些细胞传递影像到大脑的神经是完好的。

新颖的电子技术

通过外科手术将一块超薄芯片放在眼球后部，经与一台微型照相机相连便能刺激神经传导影像。照相机可以装在一副眼镜上；与照相机相连的激光既为芯片提供动力，又能通过红外线为它提供信息。这样微芯片就像健康细胞一样刺激视网膜神经末梢，产生光感。最近麻省理工学院和马萨诸塞眼耳防治所用这种“视觉芯片”的原形在兔子身上进行实验，表明这种装置能激发神经节细胞，然后将信号传入大脑。研究者们要等到将这种芯片植入人体后才知道那些信号是否能替代视觉过程。

像在本世纪中一样，机械装置也仍会在人造器官装置中继续发挥作用。比如，它们将是所谓的人造子宫构建中的关键部件。在过去几十年里，医学科学已经在照顾早产婴儿方面取得了长足进步。现在的生命维持系统可以维持怀孕仅24周婴儿的生命；它们的营养需求通过静脉输液来满足，呼吸机帮助它们呼吸。

再小的婴儿就无法存活了，主要是因为它们不成熟的肺无法呼吸空气。一个无菌、充满液体的人造子宫将能提高这些新生儿的存活率。这些婴儿通过一种叫全氟代烷烃的液体进行呼吸，这种液体含高浓度氧气和二氧化碳，可以像空气一样被吸入和呼出。一台泵维持液体不停地循环，以进行气体交换。液体呼吸比传统的呼吸机更接近于子宫中的环境，对呼吸道来说也更容易一些。实际上，将液体呼吸系统应用于肺部受损伤的成人的新试验正在进行中。同时，用于稍大一些婴儿的液体呼吸系统也在进行临床试验。在大约10年内，这种系统将用来维持更小的婴儿的生命。

除了气体交换装置以外，人造子宫还将配备过滤装置来除去液体中的有毒物质。跟现在一样，营养物质通过静脉供应。人造子宫能提供一个自我维持的系统，婴儿在其中可继续进行正常的发育和生长直至第二次“出生"。对绝大多数早产儿来说，这种照料足够保证成活。然而，这成长中的婴儿才是最终的组织制造者。

[Scientific American，1995年9月]