寻求治疗心脏病的方法
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寻求治疗心脏病的方法
一个由波士顿大学领导的团队正在设计一种小块的心肌，可以修复心脏，治疗心脏病，并加快药物开发
心脏病是世界上最致命、最阴险的杀手之一。仅在美国，它就导致了全国四分之一的死亡——这是惊人的65.9万人，或者大致相当于俄勒冈州波特兰市的全部人口。
心脏如此容易受到伤害也许并不奇怪。它可以说是人体中最难工作的组织：在子宫里形成的第一个器官之一，它必须在我们的余生中不停地滴答作响。然而，令人惊讶的是，其中的细胞不能轻易分裂和繁殖。如果它们中的任何一个受到损伤，就这样了——受伤的组织区域将无法自我修复。相反，器官中未受损的部分会尽可能地跛行，直到痛苦的结束。
“一旦受损，心脏组织基本上就永远消失了。波士顿大学工程学院的材料科学家大卫·毕晓普说：“你只能在剩下的健康组织中度过余生。”
Bishop是CELL-MET的主任，CELL-MET是由波士顿大学领导的国家科学基金会细胞超材料工程澳门威尼斯人注册网站研究中心，专注于开发心脏病的治疗方法。毕晓普和他的同事们一起采取了一种大胆的新方法：在实验室里从零开始培养可存活的心脏组织。他说，如果他们的努力取得成功，该团队将能够制造出小块的心肌，可以直接移植到患者的心脏中，有效地修复器官的受损区域。
“这种方法将是一种全新的方法来逆转心脏病，”工程学教授兼材料科学与工程系主任毕晓普说。“如果你摔断了腿，你的医生会说要把你治好像新的一样。但是，如果你心脏病发作，你永远不会听到这些话，因为现在没有任何方法可以修复这种损害，”他说。“我们的梦想是找到治疗心脏病的方法。”
打败免疫系统，促进健康组织生长
制造植入式心脏贴片面临着一长串的挑战，甚至从最基本的细胞水平开始。正常情况下，当外来组织被移植到病人体内时，免疫系统——尤其是在没有免疫抑制药物干预的情况下——会将外来细胞识别为入侵者并对其进行攻击。如果发生这种情况，它会逐渐杀死植入物，并可能带走它的宿主。
为了避免这个问题，CELL-MET澳门威尼斯人注册网站研究人员计划使用患者自己的皮肤细胞作为起点。通过一个复杂的生物过程，澳门威尼斯人注册网站研究小组可以对这些细胞进行重新编程，将它们变成多能干细胞——一种几乎可以变成人体任何组织的通用细胞。从那里，澳门威尼斯人注册网站研究人员可以慢慢地诱导细胞变成心肌细胞，这种搏动的肌肉细胞完成了心脏的大部分工作。因为它们来自患者自身的某些部位，所以新形成的细胞几乎不可能引发免疫反应。
制造这些细胞的过程并不新鲜：科学家们已经做了十多年了。然而，将它们转化为工作组织则是另一回事。你不能只是把心脏细胞放入培养皿中——如果你想让它们长成健康的心肌，它们需要被固定在一个具有正确物理特性的结构上。
“心脏细胞是我们所说的机械活性细胞：它们在生长过程中需要收缩并产生力量。它们的发育方式很大程度上受到其机械环境的影响，”波士顿大学威廉·f·沃伦杰出教授、生物医学工程工程学教授克里斯托弗·陈说。“如果环境太僵硬，心肌细胞就无法收缩。你需要足够坚硬的支架来支撑细胞，但又足够柔软，当细胞拉它时，它可以嘎吱作响。”Chen同时也是CELL-MET的副主任，他补充说，有了合适的材料和结构来支持它们，心肌细胞可以更容易地成熟，排列成肌肉串，并开始一致地跳动。
为了提供这种环境，CELL-MET团队正在制造一组被称为支架的微小结构。每一个都只有几微米宽，就像一个微小的框架，里面装着细胞。工程学教授、机械工程主席Alice White说，为了制造如此小的细节结构，该团队已经转向纳米级3D打印技术，该技术最初是为半导体行业开发的，最近由Nanoscribe商业化。
怀特正在带领一个团队测试几种不同的材料和模式，以帮助健康的组织生长——从像巢一样的纳米纤维簇到更复杂的工程蜂窝——并利用它们帮助CELL-MET的同事创造出早期的概念验证心脏组织补丁。怀特说，目前，这些实验性补丁只有几百个细胞的厚度，剩下的障碍之一是弄清楚如何使它们在规模上更接近实际的心脏组织，可以达到一厘米（大约半英寸）的厚度。
“主要问题是脉管系统。为了获得更厚的组织，你需要血管和细胞块内的营养物质。这才是游戏难度真正开始上升的地方。”“这是我们要解决的下一个挑战。”
加速心脏药物的开发和测试
CELL-MET的澳门威尼斯人注册网站研究人员目前正在尝试两种方法在他们的贴片内制造血管。一个是怀特精心设计的支架；另一种是3D打印细胞本身。使用心肌细胞浆液作为“活墨水”，澳门威尼斯人注册网站研究小组可能会将它们分层放置，模仿活心肌的形状，构建内部有中空路径的组织，可以作为新生血管。
陈说，虽然现有的心脏细胞薄片不能植入，但它们仍可能对开发药物治疗有用。治疗多种疾病的新候选药物对心脏产生重大副作用是相当普遍的，但在动物身上测试这些物质的标准过程有时会掩盖这些影响，直到药物进入临床试验。
“问题是人类心脏对药物的反应与动物心脏细胞非常不同，”陈说。“很可能会错过一些东西。如果你这样做，你就浪费了大量的资源来开发一种最终对心脏组织有毒的化合物。”然而，实验室制造的人类心脏组织可能有助于澳门威尼斯人注册网站研究人员及早发现这些问题，使药物开发更快、更准确。
CELL-MET的心脏贴片也可能首先帮助科学家更好地了解罕见的心脏病。Chen说，通过使用从先天性心脏病患者身上提取的皮肤细胞，澳门威尼斯人注册网站研究小组可以重建患者体内存在的心脏异常，并直接在病变组织中测试新的治疗方法。
培养新一代科学家
毕晓普说，尽管植入式心脏组织还有很长的路要走，但CELL-MET在五年内取得了如此大的进展，这一事实令人瞩目。
为了解决像心脏组织生长这样棘手的问题，该中心不得不召集来自全球14个机构的庞大澳门威尼斯人注册网站研究团队。他们专攻许多不同的学科——生物学、电子工程、计算机科学、纳米技术、化学等等。
“我认为我们的成功很大程度上来自于我们正在进行的跨学科澳门威尼斯人注册网站研究。我们都不再考虑自己的领域，而是开始考虑解决一个共同的问题。”
由CELL-MET多学科团队开发的微型活心脏室复制品。Jackie Ricciardi摄
到目前为止，这种方法似乎是有效的。除了早期的心脏组织贴片，这些合作已经产生了活体心脏室复制品，芯片上的微型心脏瓣膜，新的纳米级3D打印方法，以及其他进步。它还带来了一些分支发现，包括一种新的非接触式心电图，它可以利用磁铁感应心脏的电场，目前正在由毕晓普实验室分拆出来的一家公司开发。每一个渐进的步骤都代表着一项重大的科学成就，并可能帮助科学家在未来创造出其他类型的器官组织。
“我认为我们的成功很大程度上来自于我们正在进行的跨学科澳门威尼斯人注册网站研究。我们都停止了对各自领域的思考，而开始思考如何解决一个共同的问题，”毕晓普说。“在过去，你会把它称为臭鼬工厂——你把100个不同专业的人放在内华达州的一个仓库里，他们一起想出了一架没人认为是可能的飞机。没有人会说，‘我是一个机翼的人’，或者‘我是一个引擎的人’，你们只是团队的一部分，共同解决一个共同的问题。”
为了在未来培养这种思维，CELL-MET将其大部分任务集中在教育新一代学生上。毕晓普指出，教会他人跨学科思考可能会带来新的创新，否则这些创新是不可能实现的。他们不仅从本科生开始，还从更年轻的学生开始，提供一系列的教育和拓展经验，从学前STEM项目到高中科学课程。
“我们的工作不仅仅是制造心脏贴片。我们希望它将成为未来如何进行澳门威尼斯人注册网站研究的榜样，”毕晓普说。“我们的教育、多元化和拓展项目——培养未来的包容性劳动力——是其中的重要组成部分。纳入对心脏组织本身也至关重要——我们澳门威尼斯人注册网站研究了显著的人口统计学差异，需要在我们正在构建的东西中考虑到这一点。”
无论是在实验室还是在课堂上，该中心的努力最终可能会证明，各地的悲观主义者都错了。也许，只是也许，一颗破碎的心是可以修补的。
参与CELL-MET的其他机构包括布朗大学、CNEA（阿根廷）、哥伦比亚大学、École洛桑理工学院（瑞士）、福特谷州立大学、佛罗里达国际大学、哈佛医学院、爱尔兰国立大学、NHS学院、北卡罗莱纳州立大学、贝尔法斯特女王大学（北爱尔兰）、密歇根大学和威斯澳门威尼斯人注册网站研究所。
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