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身体的脚手架:细胞外基质

你的细胞并非漂浮在空荡荡的空间里——它们栖身于一张坚韧的蛋白质网中,这张网把它们固定成形,还悄悄告诉它们该做什么。来认识这副脚手架,并弄懂为什么它一旦过多,就会变成疤痕。

细胞需要一个落脚之处

想象一面砖墙。砖块很容易看见——可墙并不只是一堆砖。让它成为一面*墙*的,是砖与砖之间的灰浆:那种填满缝隙、把每一块砖固定住、并赋予整体形状的灰色物质。把灰浆抽走,砖块就会瘫成地上的一堆。

你的身体也是同样的道理。砖块就是你的细胞——亿万个微小的生命单元。但细胞柔软、有点晃悠;任由它们自己,就会滑成一摊。把它们固定在各自位置上的,是一张缠绕在它们*周围*、穿插在它们*之间*的坚韧蛋白质网。科学家把这张网叫作细胞外基质,通常简称 ECM。这名字听着很专业,其实不过是说「细胞外面的东西」——*细胞外*加上*基质*(垫底的物质)。

WITHOUT the matrix          WITH the matrix

  o   o    o                 [o]-[o]-[o]
    o    o      o             [o]-[o]-[o]
  o    o    o                 [o]-[o]-[o]

 loose cells, no shape       cells held in a mesh,
 -> slumps into a puddle      shaped into a tissue
左边是无所依凭的细胞。右边是同样的细胞,被锚定在细胞外基质之中。

会说话的脚手架

接下来是令人意外的部分。ECM 并不是像快递箱里的泡沫那样、死气沉沉的填充物。它更像是一栋楼的墙壁与走廊——而这些墙壁悄悄地塑造着里面每个人的行为。狭窄的走道让人不得不一个接一个地走;开阔的大堂则让人四散开来。同样地,基质的质地和软硬,会影响每一个细胞在哪里附着、何时分裂、朝哪个方向生长,有时甚至影响它变成哪种细胞

而且这场对话是双向的。细胞既聆听基质,也在不停地搭建和重建它——在这里铺上新的胶原,在那里溶解掉旧的纤维,就像住户没完没了地翻修自己居住的那栋楼。组织与脚手架彼此塑形,日复一日,从不停歇。这一来一往,正是再生医学努力驾驭的核心:把信号脚手架安排妥当,细胞往往就会自己造出正确的东西。

The repair triad: you need all three

   CELLS  ----------------+
   (the workers)          |
                          v
   SIGNALS  --------->  [ NEW TISSUE ]
   (the instructions)     ^
                          |
   SCAFFOLD  -------------+
   (the place to build on)

   miss any one corner, and the build goes wrong
重建一处组织需要三样东西同时到位:干活的细胞、指挥它们的信号,以及供其搭建的脚手架。

当工程师有意去仿照这个思路时,他们做出来的人造网络就叫作组织支架:一副临时的棚架,有点像你给小番茄苗绑上的那根支撑杆。细胞迁入、沿着它生长、并逐渐接管——而一副做得好的支架,被设计成大致以真组织成形的速度慢慢溶解消失,于是理想情况下不会留下任何碍事的东西。

幽灵器官:留下脚手架,冲走细胞

要从零搭出一副形状和肾脏或心脏分毫不差的脚手架,难得离谱——那么多血液曾经流过的细小管道。于是研究者找到了一条巧妙的捷径。如果拿来一个*真正的*器官,干脆把所有细胞都冲洗出去,只留下它天然的基质,会怎么样?这种冲洗的把戏叫作脱细胞——字面就是「去掉细胞」。

一幅贴切的画面,是把一颗草莓放在流水下冲洗,直到只剩下那副苍白、嵌着籽的骨架——形状还是完美的草莓样,果肉却已掏空。要对一个器官这么做,就让一种温和的肥皂状溶液顺着器官自己的血管灌流数小时乃至数天,把细胞溶解、带走,同时让坚韧的胶原骨架大体保持完整。剩下的东西苍白而半透明,大致保留着原器官的形状与内部管路。人们管它叫幽灵器官

  full organ          rinse out cells         ghost scaffold
  (cells + matrix)    (decellularization)     (matrix only)

   #######                                      .-----.
   #@@@@@#   ---- soapy wash through ---->      /  o o  \
   #@@@@@#        the blood vessels             \  o   /
   #######                                       '-----'

   solid, full        cells carried away        pale, hollow,
   of living cells                               same shape + pipes
脱细胞把细胞冲走,留下天然基质,等着重新种入新鲜细胞。

梦想,是用患者*自己的*新鲜细胞去重新填满那副幽灵脚手架,让它们爬回那些管道、重建出一个活的、能工作的器官——一个患者身体较不容易排斥的器官,因为这些新细胞本就是他自己的。这真是一个美丽的设想,而它的前半段,已经做得相当不错。

好脚手架走过了头:疤痕

所以基质是了不起的:它把你维系成形,又引导修复。可是,再好的东西也会过量。当你割破手指,修复细胞会蜂拥而至,迅速铺下额外的胶原把缺口尽快堵上——打个补丁。这块补丁,就是疤痕。疤痕,是身体在*速度*与*完美*之间选择了速度:它把破口很快封住,但补丁比原物要简陋——这也是为什么疤痕处的皮肤通常没有毛发、也没有汗腺。对一处小伤口来说,这笔交易往往很划算。

麻烦从打补丁永远关不掉的那一刻开始。想象一个被雇来填一个坑的施工队,在坑早已填满之后还不停浇灌混凝土——漫过车道、爬上墙壁,直到整间屋子成了一块又硬又没用的实心疙瘩。当一个器官一次又一次受伤,修复细胞就不断堆上坚韧的胶原,直到僵硬的疤痕挤占了那些真正干活的、柔软而专门化的细胞。这种失控的结疤有个名字:纤维化

纤维化,正是为什么结了疤的肝脏(肝硬化)会慢慢丧失清洁血液的能力,为什么心梗后结疤的心脏再也泵不动从前那么多血,为什么有些肺会变得太僵、无法顺畅呼吸的原因之一。疤痕无法像真组织那样去泵血、过滤或呼吸——更糟的是,致密的疤痕会从物理上挡住新组织迁入。说到底,纤维化是真正再生最主要的敌人之一。 再生医学很大一部分工作,就是学会如何减缓、叫停、甚至逆转它,好让真正有功能的组织腾出空间回来。

TOO LITTLE matrix     JUST RIGHT            TOO MUCH matrix

   o   o   o          [o]-[o]-[o]           [#####]
     o   o            [o]-[o]-[o]           [#####]
   o   o   o          [o]-[o]-[o]           [#####]

 cells fall apart    working tissue:       stiff scar:
 no structure        cells + scaffold      collagen crowds out
                     in balance            the working cells
                                           = FIBROSIS
基质是一场平衡:太少,组织散架;太多,便僵化成疤。

一段话的收获

记住这幅画面。你的细胞是砖,细胞外基质是灰浆——一张胶原蛋白的网,它不仅把组织维系成形,还主动地帮着告诉细胞该做什么。工程师借用这个思路做成组织支架,甚至能通过脱细胞把一个器官冲洗成一副光秃秃的幽灵基质。但同样这副基质,一旦铺得过量,就变成了疤痕——而失控的疤痕就是纤维化,正是挡住真正再生去路的东西之一。细胞、信号、脚手架:三者在平衡中协作。把脚手架安排妥当,身体其余的修复,就有了一处坚实的根基可以依托。