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外科医生喜欢说这样一句话:对于遭遇心脏骤停的患者,时间就是生命。心脏依赖于冠状动脉持续不断输送的氧气才能存活,如果血氧供应遭到阻塞,心肌细胞就会在短短几分钟之内开始死亡。一般而言,除非医生能在一小时之内消除血管阻塞,否则将会有多达10亿个心肌细胞不可逆转地凋亡。

侥幸经历心脏停搏而不死的幸运患者也会出现永久性心力衰竭。单在英国,心力衰竭患者就有45万人之多。然而,心脏停搏后5年生存率却只有50%。"他们的心脏功能非常衰弱,无力承受足够的血流量,最终以停止跳动而告终,"剑桥阿登布鲁克医院(Addenbrooke's Hospital)心脏病专家桑杰·辛哈(Sanjay Sinha)表示。

然而在未来五年内,再生性疗法将提供另一种可能:那就是培育鲜活而不断跳动的"心脏补丁"。

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与皮肤、肝脏等其他器官相比,心脏的自我修复能力很差。心肌细胞每年的复制率只有0.5%,无力修复重大损伤。另外,心肌细胞死亡后,会被无生命力的僵硬疤痕组织所取代,意味着这部分心脏永久性地失去了功能。

Image copyright Getty Images Image caption 在遭遇心脏骤停后大难不死的人会出现永久性心力衰竭(图片来源: Getty Images)

目前,解决心力衰竭问题的唯一医学手段是心脏移植。但是由于供体有限,英国每年只能做200例心脏移植手术。"每年,心脏健康的年轻人意外死亡的案例十分有限,因此我认为我们永远不会有足够多的供体,"辛哈说。"每年只有为数很少的心脏强健,适合移植的年轻人因为交通事故或者脑部外伤而死亡。"

另一个有希望的疗法是干细胞医学。在临床试验里,科学家正在研究能否通过直接向心脏注射心肌性干细胞(干细胞可以通过诱导发育为各种人体细胞)而让破损心脏重新肌组织化,干细胞的来源是患者的血液或骨髓。

尽管这一疗法已经成功再生了受损血管并促进了血液向心脏的回流,但是由于没能解决主要问题(即,让坏死的心肌细胞重新生长),因此它们对病人的收益非常有限。在注入心脏的干细胞中,有95%没能附着到心脏上,而是立刻被血流冲走。

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为此,辛哈正在和剑桥大学干细胞学院的干细胞生物学研究小组一道共同研究另一种疗法:心脏补丁。

这种不断跳动的心肌组织只有2.5平方厘米大小,5毫米厚,在实验室的小型培养皿中培育而成。心肌补丁是通过对血细胞重新编程,使之先转化为一种特殊干细胞,再转化成人体任意一种细胞(例如心肌细胞、血管细胞和构成心脏外形的心外膜),然后生长一个月后而形成。科学家把单个心肌细胞放入一种特殊框架进行培育,最终生长成为真实心肌组织的外形。

"我们相信,心脏补丁有很大希望能够与患者心脏实现自然融合。通过把不同种类的细胞组合在一起,让它们彼此沟通,我们已经制作出了能够跳动和收缩,具备完全功能的心肌组织,"辛哈表示。

"研究发现,胚胎发育过程中,心外膜和心脏之间会产生大量互动,因此心外膜细胞对于心肌细胞的协调发育具有重要的作用。"

辛哈目前正在计划开展心脏补丁临床试验,首先做小鼠和猪的动物实验。如果一切顺利,将在5年内开展第一例人体试验。

持续跳动

他并不孤单。一个由斯坦福大学(Stanford University)、杜克大学(Duke University)和威斯康辛大学(University of Wisconsin)组成的联合研发小组也正在开发心脏补丁。

和辛哈一样,他们也正在计划使用超声波和MRI扫描定位心脏受损部位。根据损伤的形状,他们将用3D打印机定制一块任意大小和形状的心脏补丁。然后,外科医生将打开患者胸腔把补丁直接缝补到心脏上去,并连接现有静脉和动脉。

Image copyright Getty Images Image caption 新方法可以让医生把3D打印的补丁直接缝到心脏上(图片来源: Getty Images)

"心力严重衰竭的病人会出现心脏膨大以适应损伤,在此情况下需要在不同部位修补好几块补丁,"合作研究计划成员、威斯康辛大学再生生物学教授蒂姆·卡姆(Tim Kamp)说。"就像曲棍球膨大成为一只大气球或者篮球那样。"

这种新疗法的主要挑战在于,如何通过让新补丁和心脏实现电信号融合,从而让二者能够同时跳动。任何存在缺陷的电信号传导都会导致出现异常心率。

"我们能通过外科器械把补丁缝到心脏上去,但不能强迫它们协调行动,"卡姆说。"但是我们希望它们能这样。我们认为,像电波一样通过心肌,向其发布收缩命令的电信号也能让新补丁以同样幅度收缩。"

辛哈说,如果能够攻克这一难关,心脏补丁技术就不仅能够拯救无数生命,还能节约大笔资金。

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在英国,心脏移植手术费用大约是50万英镑(69万美元),包括住院费用。但是对于无法接受移植的成千上万心力衰竭患者,持续性长期治疗和定期住院的费用更加高昂。比较而言,当前心脏补丁疗法的费用只需7万英镑(9.6万美元)左右。

另外,由于心脏补丁是由患者自身的血液细胞为原料制成,接受心脏补丁治疗的患者无需承受心脏移植手术并发症带来的痛苦,例如长期服用免疫抑制药物。"一个受伤的心脏是一个充满敌意的环境,新组织很难存活,"卡姆说,"心脏补丁的优势在于,它是为患者定制的,因此心脏不会排斥补丁组织。"

研究者说,新技术将改变全球以百万计的患者的人生。

"心力衰竭会让很多患者生存质量低劣,"辛哈表示。"你很容易感到精疲力竭,甚至没法爬上客机舷梯。但是我们现在已经能够制造鲜活的心脏组织,并让它和患者之间完全没有排斥反应。补丁细胞和原有心脏细胞将以神秘而奇妙的方式互相对话,共同协作。"

"未来几年内,如果我们能进行更加细致的研究,并且证实心脏补丁具有绝对安全性,我们就能帮助成千上万的心脏病患者重新获得美好的人生。"

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