【2023年度“科普中國青年之星創(chuàng)作大賽”】新心 · 信心

2023年度“科普中國青年之星創(chuàng)作大賽”獲獎作品
作者：向馨，林宇涵，關(guān)馨，陳奕嘉，龍歡，曾泳維，張采妮

當(dāng)患者需要接受心臟移植手術(shù)時，其心功能往往都是非常差了，而大多是患者自身心肌出現(xiàn)了問題。心臟就像是人體的發(fā)動機，當(dāng)發(fā)動機出現(xiàn)小毛病時我們可以通過機油或者小的修理使發(fā)動機繼續(xù)工作，但是當(dāng)發(fā)動機嚴(yán)重?fù)p壞且已經(jīng)無法維修隨時都有熄火的可能時，我們就只能換掉發(fā)動機，而心臟移植則是同樣的道理。當(dāng)心臟疾病嚴(yán)重到無法通過藥物及一般手術(shù)治療時，便只能通過移植心臟來解決問題。

關(guān)于器官移植最早的描述可以追溯到古希臘、古羅馬、中國以及印度的神話故事，其中提及包括了骨骼、皮膚、牙齒、四肢和心臟移植。從十六世紀(jì)起，許許多多來自不同國家不同領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)專家都在嘗試進行著器官的移植手術(shù)，也正是這些前人經(jīng)驗，為1967年的南非心外科醫(yī)生Barnard成功完成人類歷史上第一例心臟移植手術(shù)打下了基礎(chǔ)。雖然那位患者術(shù)后只存活了18天，但是卻為人類打開了心臟移植這扇大門。據(jù)統(tǒng)計，全世界每年完成心臟移植手術(shù)近6000例，2019年我國完成心臟移植658例，我國心臟移植手術(shù)成功率超過95%，院內(nèi)生存率已超過90%，我國心臟移植無論從數(shù)量上和質(zhì)量上都有著長足的發(fā)展。

醫(yī)學(xué)視角下的心臟 圖源自網(wǎng)絡(luò)

心臟移植后患者最明顯的感覺就是癥狀的明顯改善以及生活質(zhì)量的大幅提升，但由于抗排異藥物不可避免地會抑制患者的免疫系統(tǒng)，因此患者術(shù)后需要在生活上盡可能保持衛(wèi)生，勤洗手多消毒，盡量減少感染的風(fēng)險。此外，術(shù)后還需要保持健康的生活方式，控制血壓血糖血脂，規(guī)律作息，合理飲食，按時服藥，盡可能地減少心臟的負(fù)擔(dān)。

當(dāng)然，目前心臟移植也存在不可避免的難題。雖然我國公民逝世后的器官捐獻(xiàn)數(shù)量逐年遞增，且目前已位于亞洲首位以及世界第二，但是心臟供體的來源缺口仍然巨大，心臟供體供不應(yīng)求，這也是目前心臟移植面臨的問題之一。此外，在心臟移植之后機體的排斥反應(yīng)是無法避免的，畢竟不是原生心臟，不可能像原本的心臟那樣適應(yīng)自身機體，或多或少會出現(xiàn)排斥反應(yīng)，如果排斥反應(yīng)很厲害，炎癥就會損傷到其它器官，而患者則必須長期服用抗排藥物，而后續(xù)產(chǎn)生的費用也可能是一些家庭無法承受的。

知道了心臟移植是怎么回事，異種心臟移植（xenotransplantation）也就不難理解了。這種方法是將一個物種的心臟移植到另一個物種體內(nèi)，相較于同種移植，異種移植看起來似乎解決了移植器官短缺的問題，但不同物種之間的差異性更大，排斥反應(yīng)也更強烈。因此，選擇移植物的來源至關(guān)重要。

人們首先想到的是與我們親緣關(guān)系最近的靈長類動物——比如黑猩猩、猴子等等。然而，靈長類動物由于數(shù)量稀少、飼養(yǎng)繁殖困難、價格昂貴、臟器體積偏小、可能會引發(fā)倫理學(xué)爭論等等問題并未成為異種移植的最佳選擇。既然“大師兄”指望不上，就只好犧牲一下我們的“二師兄”豬八戒了。盡管豬和人看起來有很大的差異，但豬心的結(jié)構(gòu)和大小和人類大體接近，豬與人進化距離不遠(yuǎn)不近剛剛好，豬組織內(nèi)的病毒不太會造成人類感染。此外，豬便于定向育種和大規(guī)模繁殖。種種因素使科學(xué)家對豬情有獨鐘，到目前為止，豬是異種器官移植的最佳選擇對象已在國際上成為共識。

2022年1月7日，57歲的晚期心臟病患者David Bennett接受了豬心臟移植，他也是歷史上第一個接受豬心臟移植手術(shù)的患者。這只供體豬可一點兒也不簡單，它的基因組中共有10處基因修飾，另外，治療團隊還使用了實驗性的抗排斥新藥。可惜的是，這場跨時代的手術(shù)在兩個月后隨著Bennett去世暫時落下帷幕。

從想到使用異種移植開始，科學(xué)家們就面臨著這兩個難關(guān)：如何克服排斥反應(yīng)？如何讓保持器官大小與人類相適應(yīng)？隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家們使用基因編輯技術(shù)找到了一些答案：他們敲除了3個會迅速引起器官排斥的豬基因和一個調(diào)控生長的基因，添加了6個用于提升豬心臟對人體免疫系統(tǒng)的耐受性的人類基因組基因。

基因編輯這把“快刀”看起來無往不利。然而“快刀斬亂麻”真的能解決所有問題嗎？實際上，真實情況要復(fù)雜許多。

就拿生長激素來說，除了調(diào)控生長外，生長激素對人心臟正常形態(tài)功能的維持均有重要影響，更不用說如果小孩需要移植這種情況，有沒有什么辦法讓豬心臟只能長到我們需要的大小呢？迷你豬的出現(xiàn)讓我們看到了曙光。

此外，在豬心臟移植中，病毒感染仍然是一個令人深感擔(dān)憂的問題。盡管研究人員致力于尋找基因工程方法來創(chuàng)建不傳播逆轉(zhuǎn)錄病毒的豬，但這一領(lǐng)域依然面臨巨大挑戰(zhàn)。病毒感染成為異種心臟移植的主要失敗原因之一，這意味著我們還有很長的路要走，需要更深入的研究和發(fā)展才能徹底解決這個問題。盡管基因編輯等技術(shù)給我們帶來了一定的希望，但要實現(xiàn)成功的異種移植仍然需要進一步的研究和發(fā)展。我們必須集中精力解決病毒感染問題，以確保異種心臟移植能夠在未來成為一種更安全有效的治療選擇。

馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)生們正在進行豬心移植手術(shù) 圖源自網(wǎng)絡(luò)

然而，等待一個合適的移植心臟是一個漫長的過程，除了需要滿足大小、血型、還需要防止對供體造成的感染等影響。那么除了異源心臟外，還有什么辦法可以緩解供體緊張的限制呢？3D打印技術(shù)的問世，為回答這個問題提供了一些思路。

2019年，以色列特拉維夫大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了世界上第一顆具備細(xì)胞和血管的3D打印心臟。研究人員首先從患者身上采集了脂肪組織，再將將其中的細(xì)胞和非細(xì)胞物質(zhì)分離開來，分離出的細(xì)胞隨后分化為成肌細(xì)胞和可生成血管的細(xì)胞后與特制的打印材料混合到一起，制成符合3D打印的“生物墨水”，最后打印出適合患者的心臟組織。由于3D打印心臟移植可以制造出與患者本身心臟相匹配的人工心臟，因此可以提高心臟移植手術(shù)的成功率和存活率。還可以避免供體心臟短缺和排斥反應(yīng)等問題，因此可以提高患者的生存和恢復(fù)質(zhì)量。

相比于其他的傳統(tǒng)移植技術(shù)，3D打印不僅可以實現(xiàn)隨時定制，讓命懸一線的患者不用再苦苦等待那顆“致命的零件”，同時由于3D打印所需材料來自病人自身的組織和細(xì)胞，防止了同源移植和異源移植帶來的免疫排斥反應(yīng)。當(dāng)然，目前的3D打印心臟技術(shù)仍存在值得探索的地方，其中包括如何擴大細(xì)胞使其與人體心臟相適應(yīng)。相信在未來的研究中，3D心臟打印技術(shù)可以實現(xiàn)臨床使用。

3D打印心臟 圖源自網(wǎng)絡(luò)

心臟移植對于需要新的心臟的患者來說是一件迫在眉睫的事，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的技術(shù)和新的方案層出不窮，心臟移植也從原來的同源移植發(fā)展到異種移植，再到3D打印心臟移植。新技術(shù)給患者帶來的希望的曙光，相信在未來會有更多造?；颊叩募夹g(shù)逐漸問世，到那時候科技會突破供體限制的屏障，讓每一位患者都能公平享有“新心相印”的權(quán)利！