每年，美国约有89,000名重病住院患者——包括男性、女性和儿童——在绝望中等待肝脏、肾脏、心脏或其他重要器官的移植。照顾他们的医生知道，器官供不应求。许多患者因此而死亡。
为了提高生存几率，组织工程师正试图利用干细胞的力量，设计出类似器官或身体部位的三维塑料模具，称为支架或基质。当营养液和干细胞的混合物被注入到基质上时，干细胞可能会生长成一团组织，然后可以移植到等待的患者体内。不知何故，基质会向细胞传递至关重要的组织信息。
研究人员已经成功地创造了简单的组织，如皮肤、软骨和骨骼。更复杂的结构——耳朵和牙齿——也已经被培育出来。但希望是能够构建出像肾脏或心脏这样的复杂器官。
定制的心脏、动脉或瓣膜将是一大福音，因为替代品还有很多不足之处。假体装置无法随着年轻患者的成长而生长。供体瓣膜，无论是来自尸体还是猪，通常在10到15年后就会失效，并迫使接受者终生服用免疫抑制药物以抵抗排斥。用患者自身细胞构建的心脏、动脉或瓣膜可能永远不会被排斥。
在最早的一些临床试验中，德国研究人员已经创造了杂种置换瓣膜。他们首先从尸体供体中取出瓣膜。然后，他们剥离了瓣膜上引起排斥的细胞，只留下弹性蛋白和胶原蛋白基质，并用从腿部或手臂静脉提取的干细胞进行了播种。干细胞会将自身编织到这个供体基质中，并在瓣膜移植后，功能良好地持续了三年多。该方案的批评者认为它并不理想，因为供体心脏瓣膜仍然短缺。因此，研究人员正在双管齐下：弄清楚干细胞的工作原理——并构建更好的基质。
身体车间 实验室培育的皮肤和软骨现在是一项大生意。但是，工程化诸如动脉和心脏瓣膜等复杂结构，尽管在美国和其他地方需求量很大，但仍然是一个挑战。
7 - 在绵羊体内植入前，在体外培养组织工程动脉所需的天数
77 - 绵羊自身细胞完全消耗原始塑料基质所需的天数
30 - 将牙芽细胞植入实验动物后，培育牙齿所需的周数
6 - 在体外培育功能性膀胱所需的天数
20 - 将供体皮肤培育成直径3英寸、可销售的皮肤片所需的天数
$7500万 - 组织工程皮肤片在美国的年销售额
罗伯特·兰格（Robert Langer），麻省理工学院化学与生物医学工程学教授，是组织工程学的两位创始人之一。在20世纪80年代初，他和哈佛大学医学院教授、麻省总医院小儿外科医生约瑟夫·瓦坎蒂（Joseph Vacanti）首次展示了一种方法，通过用可生物降解的支架播种人类干细胞来生长活体组织。去年4月，兰格获得了50万美元的奥尔巴尼医学中心医学和生物医学研究奖，这是美国顶尖的医学奖项之一。正如兰格解释的那样，设计与活细胞有效协同作用的聚合物比看起来更难。
如果我现在需要组织工程材料，市面上有现成的吗？L：
如果你需要皮肤，你可以得到。如果你需要软骨，也有不同类型的软骨。但很多东西还在临床试验中。在临床试验中的包括其他软骨、骨骼、角膜、血管——这些都应用于人体。然后还有很多在动物试验中：肠道、脊髓、声带。其中大多数都使用某种形式的基质，即使是角膜。
你面临的主要挑战是什么？L：
好吧，我希望只有一个！在材料方面，它是创造高度生物相容且能激发正确生长和细胞行为的合适材料。然后是反应方面。当你试图在试管中培养组织时，需要使用哪些正确的培养基和条件？你是否需要摇动细胞？如果需要，怎么摇？这会产生巨大的差异。几年前，我的一个博士后劳拉·尼克拉森（Laura Niklason）证明，我们唯一能制造血管的方法就是摇动它。在真实生活中，血管是连接到心脏的。所以我们制作了小管子，在上面放上不同的细胞，并将它们连接到一个脉动泵上，就像一个微型心脏。它会泵送，我们制造的瓣膜也会发展出承受实际血压的强度。
所以细胞在受到正确刺激时会做出反应吗？L
是的。一项对心肌细胞的最新研究是另一个例子。在我们实验室工作的戈尔达娜·武尼亚克（Gordana Vunjak）通过电刺激，让心肌细胞生长、开始泵送并工作得更好。
如果这些组织基质工作得很好，为什么还要花这么多时间设计不同的基质呢？为什么还要重新发明轮子？L：
我希望有这么简单。这些东西都不是完美工作的。对于某些组织，我们想要一个非常有弹性的基质。2002年，我的另一个博士后王亚东（Yadong Wang）创造了一种叫做“生物橡胶”的东西。它制造了一种非常、非常像橡胶的基质，用来模拟像血管、心肌、输尿管等弹性组织。在那之前，我们使用的是更坚硬的不同聚合物。
这些聚合物如何在体内分解而不会引起问题？L：
我们就是这样设计的。我们在分子中内置了会被水水解的键。这些材料的构成单元——组分——通常是体内已有的物质，或者已被证明在体内是安全的。例如甘油。随着时间的推移，细胞会占据这个形状，或者身体的作用会分解聚合物。它会被吸收，而不会引起问题。
你们设计了多少种不同的基质？L：
我们实际上已经创建了一个材料库。问题是如何让不同的细胞分化？如何获得你想要的特定细胞类型，或者如何让它们以你想要的速度生长？对于其中一些细胞，还没有找到任何有效的方法。举个例子：没有人发现如何让人类胚胎细胞在不使用小鼠 feeder-cell layer 的情况下生长来刺激生长。所以体外生长的人类干细胞是受污染的。这只是为了说明我们远未完成。还有许多未解的问题。
市面上的组织工程产品都是血流量少的组织，这并非巧合。器官越厚，制造起来就越困难，因为你必须制造大量的血管。你希望如何构建更复杂的器官？L：
约瑟夫·瓦坎蒂和我与德雷珀实验室（Draper Laboratory）一直在为此努力。我们一直在研究微制造，甚至是纳米制造，以创造血管网络。其中一些，我们是在硅芯片上蚀刻血管。这还处于早期阶段，但我们已经能够让它工作得相当好。
你如何处理像肝脏或肾脏这样更大的器官的厚度问题？L：
嗯，你会在芯片或基质上生长一层，然后一层一层地堆叠起来。希望这样，血液就能流过好几层，就像在真实生活中一样。
政府对胚胎干细胞研究的限制对你有什么影响？L：
我们使用成体干细胞，也使用政府已批准的人类胚胎细胞系。很难知道它在多大程度上限制了我们，因为这是我们无法做的事情。我个人认为，为了解决一个问题，应该尝试尽可能多的途径，所以一些途径对我关闭，我认为这是件坏事。但我们已经能够利用现有的细胞系取得相当多的进展。
