【2023年度“科普中国青年之星创作大赛”】新心 · 信心

2023年度“科普中国青年之星创作大赛”获奖作品
作者：向馨，林宇涵，关馨，陈奕嘉，龙欢，曾泳维，张采妮

当患者需要接受心脏移植手术时，其心功能往往都是非常差了，而大多是患者自身心肌出现了问题。心脏就像是人体的发动机，当发动机出现小毛病时我们可以通过机油或者小的修理使发动机继续工作，但是当发动机严重损坏且已经无法维修随时都有熄火的可能时，我们就只能换掉发动机，而心脏移植则是同样的道理。当心脏疾病严重到无法通过药物及一般手术治疗时，便只能通过移植心脏来解决问题。

关于器官移植最早的描述可以追溯到古希腊、古罗马、中国以及印度的神话故事，其中提及包括了骨骼、皮肤、牙齿、四肢和心脏移植。从十六世纪起，许许多多来自不同国家不同领域的医学专家都在尝试进行着器官的移植手术，也正是这些前人经验，为1967年的南非心外科医生Barnard成功完成人类历史上第一例心脏移植手术打下了基础。虽然那位患者术后只存活了18天，但是却为人类打开了心脏移植这扇大门。据统计，全世界每年完成心脏移植手术近6000例，2019年我国完成心脏移植658例，我国心脏移植手术成功率超过95%，院内生存率已超过90%，我国心脏移植无论从数量上和质量上都有着长足的发展。

医学视角下的心脏 图源自网络

心脏移植后患者最明显的感觉就是症状的明显改善以及生活质量的大幅提升，但由于抗排异药物不可避免地会抑制患者的免疫系统，因此患者术后需要在生活上尽可能保持卫生，勤洗手多消毒，尽量减少感染的风险。此外，术后还需要保持健康的生活方式，控制血压血糖血脂，规律作息，合理饮食，按时服药，尽可能地减少心脏的负担。

当然，目前心脏移植也存在不可避免的难题。虽然我国公民逝世后的器官捐献数量逐年递增，且目前已位于亚洲首位以及世界第二，但是心脏供体的来源缺口仍然巨大，心脏供体供不应求，这也是目前心脏移植面临的问题之一。此外，在心脏移植之后机体的排斥反应是无法避免的，毕竟不是原生心脏，不可能像原本的心脏那样适应自身机体，或多或少会出现排斥反应，如果排斥反应很厉害，炎症就会损伤到其它器官，而患者则必须长期服用抗排药物，而后续产生的费用也可能是一些家庭无法承受的。

知道了心脏移植是怎么回事，异种心脏移植（xenotransplantation）也就不难理解了。这种方法是将一个物种的心脏移植到另一个物种体内，相较于同种移植，异种移植看起来似乎解决了移植器官短缺的问题，但不同物种之间的差异性更大，排斥反应也更强烈。因此，选择移植物的来源至关重要。

人们首先想到的是与我们亲缘关系最近的灵长类动物——比如黑猩猩、猴子等等。然而，灵长类动物由于数量稀少、饲养繁殖困难、价格昂贵、脏器体积偏小、可能会引发伦理学争论等等问题并未成为异种移植的最佳选择。既然“大师兄”指望不上，就只好牺牲一下我们的“二师兄”猪八戒了。尽管猪和人看起来有很大的差异，但猪心的结构和大小和人类大体接近，猪与人进化距离不远不近刚刚好，猪组织内的病毒不太会造成人类感染。此外，猪便于定向育种和大规模繁殖。种种因素使科学家对猪情有独钟，到目前为止，猪是异种器官移植的最佳选择对象已在国际上成为共识。

2022年1月7日，57岁的晚期心脏病患者David Bennett接受了猪心脏移植，他也是历史上第一个接受猪心脏移植手术的患者。这只供体猪可一点儿也不简单，它的基因组中共有10处基因修饰，另外，治疗团队还使用了实验性的抗排斥新药。可惜的是，这场跨时代的手术在两个月后随着Bennett去世暂时落下帷幕。

从想到使用异种移植开始，科学家们就面临着这两个难关：如何克服排斥反应？如何让保持器官大小与人类相适应？随着科技的发展，科学家们使用基因编辑技术找到了一些答案：他们敲除了3个会迅速引起器官排斥的猪基因和一个调控生长的基因，添加了6个用于提升猪心脏对人体免疫系统的耐受性的人类基因组基因。

基因编辑这把“快刀”看起来无往不利。然而“快刀斩乱麻”真的能解决所有问题吗？实际上，真实情况要复杂许多。

就拿生长激素来说，除了调控生长外，生长激素对人心脏正常形态功能的维持均有重要影响，更不用说如果小孩需要移植这种情况，有没有什么办法让猪心脏只能长到我们需要的大小呢？迷你猪的出现让我们看到了曙光。

此外，在猪心脏移植中，病毒感染仍然是一个令人深感担忧的问题。尽管研究人员致力于寻找基因工程方法来创建不传播逆转录病毒的猪，但这一领域依然面临巨大挑战。病毒感染成为异种心脏移植的主要失败原因之一，这意味着我们还有很长的路要走，需要更深入的研究和发展才能彻底解决这个问题。尽管基因编辑等技术给我们带来了一定的希望，但要实现成功的异种移植仍然需要进一步的研究和发展。我们必须集中精力解决病毒感染问题，以确保异种心脏移植能够在未来成为一种更安全有效的治疗选择。

马里兰大学医学院的医生们正在进行猪心移植手术 图源自网络

然而，等待一个合适的移植心脏是一个漫长的过程，除了需要满足大小、血型、还需要防止对供体造成的感染等影响。那么除了异源心脏外，还有什么办法可以缓解供体紧张的限制呢？3D打印技术的问世，为回答这个问题提供了一些思路。

2019年，以色列特拉维夫大学的研究人员创造了世界上第一颗具备细胞和血管的3D打印心脏。研究人员首先从患者身上采集了脂肪组织，再将将其中的细胞和非细胞物质分离开来，分离出的细胞随后分化为成肌细胞和可生成血管的细胞后与特制的打印材料混合到一起，制成符合3D打印的“生物墨水”，最后打印出适合患者的心脏组织。由于3D打印心脏移植可以制造出与患者本身心脏相匹配的人工心脏，因此可以提高心脏移植手术的成功率和存活率。还可以避免供体心脏短缺和排斥反应等问题，因此可以提高患者的生存和恢复质量。

相比于其他的传统移植技术，3D打印不仅可以实现随时定制，让命悬一线的患者不用再苦苦等待那颗“致命的零件”，同时由于3D打印所需材料来自病人自身的组织和细胞，防止了同源移植和异源移植带来的免疫排斥反应。当然，目前的3D打印心脏技术仍存在值得探索的地方，其中包括如何扩大细胞使其与人体心脏相适应。相信在未来的研究中，3D心脏打印技术可以实现临床使用。

3D打印心脏 图源自网络

心脏移植对于需要新的心脏的患者来说是一件迫在眉睫的事，随着科学技术的不断发展，新的技术和新的方案层出不穷，心脏移植也从原来的同源移植发展到异种移植，再到3D打印心脏移植。新技术给患者带来的希望的曙光，相信在未来会有更多造福患者的技术逐渐问世，到那时候科技会突破供体限制的屏障，让每一位患者都能公平享有“新心相印”的权利！