莲藕支架
莲藕是一种高强度的复合结构材料。
莲藕具有生物活性，加速骨骼再生。
未来，莲藕支架有望修复人体大段骨缺损。
随着《哪吒之魔童闹海》不断刷新世界影史纪录，电影中太乙真人用藕粉帮助哪吒和敖丙重塑肉身的桥段让很多影迷记忆深刻。事实上，莲藕重塑肉身并非只停留在神话传说中，在香港科技大学（广州）的生物研究实验室内，港科大（广州）生命科学与生物医学工程学域研究员、长聘副教授、系统枢纽副院长吴钧向记者展示了一段在南沙当地刚挖的新垦莲藕。4年前，吴钧团队开始尝试用包括莲藕在内的多种食源性生物材料作为骨和皮肤伤口敷料，并在各种实验动物上展开研究，“莲藕是具有连续多孔的天然材料，能够为断骨再生提供很好的外部环境。目前，我们的小鼠实验表明，使用莲藕作为骨修复材料的小鼠，比对照组小鼠的骨损伤恢复速度明显加快。”
作为国际科技创新中心重要承载地的广州，在国内外再生医学领域有着十分重要的地位，本期《科技周刊》，我们来一探广州再生医学领域近年来取得的重要成果。
接骨原理
莲藕天然孔道成骨修复“高速公路”
多孔中空 结构有利血管神经生长
吴钧告诉记者，藕的横切面在肉眼下呈现多孔中空结构，在显微镜下，藕的内部也呈现非常完美的天然多孔中空结构。虽然古人在创作神话时并不了解其内在的科学原理，但从材料学和再生医学的角度看，它确实是良好的天然骨修复支架材料。“加工后的莲藕可以作为天然支架材料，这是因为莲藕的多孔中空结构非常利于骨修复，这些导管会促进新血管和神经长入，同时，对骨断端微环境中的氧气和营养成分交换能起到很好的促进作用。莲藕支架还具有良好的生物相容性，且毒副作用少。”
强度足够 为愈合撑起空间
吴钧团队发现，莲藕的结构强度其实很高。“在大家的印象里，藕很容易掰断，但正如成语‘藕断丝连’所描述的那样，莲藕其实是一种高强度的复合结构材料。经过我们一系列加工后，莲藕复合材料的强度进一步增加，能够在体内维持比较长时间的支撑强度，让骨骼、神经、血管等能够有足够的时间生长和修复。”
生物活性 胜过骨水泥材料
吴钧告诉记者，动物骨折后，可以将莲藕制作的生物材料填入骨折的断端，这是一种高强度、促进再生的填充材料，“我们还可以通过调控，让莲藕生物材料的降解速度与骨骼再生速度进行‘匹配’，这样当骨骼长好了，莲藕材料也在动物体内降解和吸收掉了。”
吴钧表示，目前医学上常用的骨水泥是一种高分子材料，主要帮助恢复骨骼结构，对促进骨骼再生能力有限。而莲藕生物材料有望代替目前的骨水泥材料，实现骨骼更快再生。“目前临床使用的骨水泥材料基本没有孔洞，且没有生物活性，植入的时间长了，常常会产生炎症和增生组织。”
生产关键步骤：冻干、矿化
吴钧介绍，莲藕生物材料生产方式非常简单——将莲藕洗净后，经过冻干和矿化处理，再经切削和精细加工后，就可以在微观上保持莲藕的天然多孔中空结构，填入骨缺损部位。
冻干和矿化工序主要有两大作用，一方面是让其“脱细胞”，使藕的免疫原性大幅降低，从而让藕从植物变成一种可降解的材料。“大家都知道，跨物种之间进行移植，会产生严重的免疫排斥反应，经过冻干、矿化处理后，这些藕不仅具有良好的降解性能，可以在动物体内被降解吸收，同时也基本不会表现出免疫原性。”
此外，这一工序还可以让莲藕材料的强度进一步提升，“我们验证过，经过这一系列工序加工后，莲藕材料的强度与人体骨骼强度相当，比骨水泥强度略低。”
“这些工序做好后，根据受体骨损伤的具体情况，经过切削和各种精细加工，就可以生产出不同形状的莲藕三维支架可降解材料，植入受体体内。”吴钧说。
实验验证
莲藕支架有效促进新骨生成
那么，莲藕支架在促进骨折愈合方面究竟效果如何？吴钧告诉记者：“在进行小动物实验前，我们已在细胞分子学实验中，率先证实了莲藕三维支架能够促进成骨分化，具有优异的促进骨再生的潜能。”
为进一步评估莲藕支架对骨骼损伤修复的能力，2020年前后，吴钧和他的团队一起进行了“构建临界颅骨缺损模型以评估莲藕支架的促进骨损伤修复性能”的实验。这一实验目前主要针对小鼠颅骨进行，实验者将所有小鼠麻醉后，对头颈部进行备皮和碘伏消毒，用手术刀沿头部中线切开创口，随后轻轻切开骨膜，使用止血钳固定两边皮肤并暴露手术位置。随后，在矢状缝两侧使用环形骨钻钻开2毫米大小的临界颅骨损伤，并将提前制备且灭菌的莲藕支架嵌入治疗组的小鼠缺损部位，而对照组的小鼠则不做治疗处理，之后对所有小鼠的伤口进行缝合。
“在莲藕支架植入治疗2个月后，我们通过Micro-CT观测小鼠颅骨部位缺损修复情况，可以看到莲藕支架治疗组缺损部位处有显著的新生骨生成，愈合率达到50%左右，而对照组缺损处几乎没有愈合。这说明莲藕支架能够显著加速小鼠体内骨缺损的修复与再生。”吴钧说。
“接下来，我们准备开始做大动物实验，即将在羊身上进行实验验证。”吴钧说，目前人体出现大段骨缺损，要想恢复依然是医学上的难题，“我们希望莲藕支架材料能在这一难题上实现突破。”
“此外，莲藕不仅可以进行骨修复，我们也在尝试将莲藕制成极薄的片状，用来制作伤口敷料，帮助伤口更快愈合。”吴钧说。
冻豆腐、枸杞、油柑都在研究之列
除了莲藕，吴钧团队近年来还尝试使用冻豆腐、枸杞、油柑等食材以及中药材开展生物医学工程领域的研究。
吴钧介绍，由于冻豆腐拥有蜂窝状孔隙，也可以成为三维多孔支架，帮助伤口和骨骼的修复。团队通过研究发现，将冻豆腐进行科学处理之后，能够促进大面积创伤和骨组织愈合，在创伤部位使用豆腐，还能减少疤痕的产生甚至不会留下疤痕。
而枸杞、油柑则是为了提取它们的外泌体，研究它们是否对皮肤有修复和美白的作用，以应用于化妆品产业。
吴钧曾在美国哈佛大学、麻省理工学院等高校深造，主要研究方向为生物医学工程，他表示，研究这些食材、中药材，主要受到他在麻省理工学院博士后合作导师罗伯特·兰格院士的影响。“罗伯特·兰格可以说是现代生物材料、药物研究的主要奠基人，为全世界培养了至少上千名教授，他最朴素的科研理念之一就是‘简单有效’，比如先把自然界已经存在的生物材料的原理、机制弄清楚，之后再进一步进行应用方面的针对性提升。”
“在开发新材料方面，人类其实也需要回归自然，从大自然中寻找各种启发，这也是新材料领域的仿生学。自然界的生物，很多都已经进化了几百万年甚至上千万年，本身就经过了优胜劣汰。目前，我们对大自然的开发利用还很少，尤其回归到植物上，开发利用得更少，我们开发莲藕，是一个代表性的例子，希望大家能更加珍惜大自然，从大自然中获得灵感。”吴钧告诉记者。
科研机构谈创新
首次实现在尿液内获得干细胞
再生医学领域广州科研成果丰硕
中国科学院广州生物医药与健康研究院（以下简称“广州健康院”）的朱艳玲副研究员介绍，广州健康院是国内最早布局干细胞与再生医学领域的科研机构之一，历年来诞生了很多重要科研成果，相关科研水平也享誉国内外。“国内做干细胞与再生医学相关研究的主要学者几乎都造访过广州健康院。”
朱艳玲表示，干细胞与再生医学的研究工作中，最前期也是最关键的工作就是获得干细胞。目前，获得干细胞主要分为两种方式：一类是从胚胎里直接分离的人胚胎干细胞，另一类是通过将体细胞采用重编程的技术来获得诱导性多能干细胞（iPS）。该技术曾获得诺贝尔奖，获奖的日本科学家山中伸弥主要通过在小鼠的体细胞上导入几个关键基因的方法，让这些细胞“返老还童”，回归到生物最初始的胚胎时期，从而获得那种具多能性的干细胞状态。
“既然小鼠的体细胞可以实现‘返老还童’，那么人体细胞用同样的‘重编程’方法是否可以制造出iPS呢？这成为干细胞与再生医学领域所有科学家孜孜以求的科学目标。理论上，iPS可以分化为所有类型的人体细胞，从而可以治疗很多疾病。同时，iPS的来源和应用也更加广泛，因为它不需要受到胚胎来源的伦理限制。”朱艳玲说，为了攻克这一难题，时任广州健康院院长的裴端卿研究员带领团队，进行了卓有成效的科学探索，取得了一系列重要成果。
“这些年来，我们研究院在干细胞与再生医学领域的研究已获得两项国家自然科学二等奖，主要围绕解析重编程的相关机制以及提高重编程效率来进行研究，后续我们也将在干细胞应用的研究方向上继续探索。”朱艳玲所在的课题组——潘光锦研究团队成功实现了从人体尿液细胞获得iPS，“人体尿液中会存在一些自然脱落的尿道上皮细胞等体细胞，通过离心收集之后，将这些细胞进行培养和增殖，并通过重编程技术给这些细胞转入几个基因，发现它们一样可以获得iPS。后续我们发现，这些通过尿液获得的iPS也是安全可靠的。”
朱艳玲告诉记者，这项研究有三大优势，一是无创，二是周期快，三是依靠广州健康院开发的相关技术，能够实现导入基因的非整合表达，相较以往重编程技术来说会更加安全。
朱艳玲说：“在干细胞应用方面，因为iPS具有分化成人体各种细胞的潜能，我们主攻的方向之一是血液系统，我们想让干细胞分化成有功能的血液细胞，如实现大规模体外获得免疫细胞。目前我们已经成功构建了干细胞分化为NK细胞、巨噬细胞、中性粒细胞等免疫细胞的技术体系，后续将逐步推动干细胞来源血液免疫细胞的临床应用。”
朱艳玲介绍，目前，市场上比较多见的干细胞产品是间充质干细胞。“iPS的层级还有它的多能性要远远高于间充质干细胞。当然，目前国内已经有企业利用iPS生产各类有用的体细胞。一些企业获得临床批件之后，就将开始进行临床试验，如果临床试验通过，确实证明它有效果，这些细胞产品就可以作为药品上市。”
文、图/广州日报全媒体记者武威、张丹
