新突破！廣州科研團隊用蓮藕接骨“塑肉身”，凍豆腐、枸杞、油柑都在研究之列
隨着《哪吒之魔童鬧海》
不斷刷新世界影史紀錄，
電影中太乙真人用藕粉幫助
哪吒和敖丙重塑肉身的橋段
讓很多影迷記憶深刻。
事實上，蓮藕重塑肉身並非只停留在神話傳説中，在香港科技大學（廣州）的生物研究實驗室內，港科大（廣州）生命科學與生物醫學工程學域研究員、長聘副教授、系統樞紐副院長吳鈞向記者展示了一段在南沙當地剛挖的新墾蓮藕。
蓮藕是一種高強度的複合結構材料。
4年前，吳鈞團隊開始嘗試用包括蓮藕在內的多種食源性生物材料作為骨和皮膚傷口敷料，並在各種實驗動物上展開研究，“蓮藕是具有連續多孔的天然材料，能夠為斷骨再生提供很好的外部環境。目前，我們的小鼠實驗表明，使用蓮藕作為骨修復材料的小鼠，比對照組小鼠的骨損傷恢復速度明顯加快。”
作為國際科技創新中心
重要承載地的廣州，
在國內外再生醫學領域
有着十分重要的地位，
本期《科技週刊》，我們來一探
廣州再生醫學領域
近年來取得的重要成果
接骨原理
蓮藕天然孔道成骨修復“高速公路”
多孔中空 結構有利血管神經生長
吳鈞告訴記者，藕的橫切面在肉眼下呈現多孔中空結構，在顯微鏡下，藕的內部也呈現非常完美的天然多孔中空結構。雖然古人在創作神話時並不瞭解其內在的科學原理，但從材料學和再生醫學的角度看，它確實是良好的天然骨修復支架材料。
蓮藕支架
“加工後的蓮藕可以作為天然支架材料，這是因為蓮藕的多孔中空結構非常利於骨修復，這些導管會促進新血管和神經長入，同時，對骨斷端微環境中的氧氣和營養成分交換能起到很好的促進作用。蓮藕支架還具有良好的生物相容性，且毒副作用少。”
強度足夠 為癒合撐起空間
吳鈞團隊發現，蓮藕的結構強度其實很高。“在大家的印象裏，藕很容易掰斷，但正如成語‘藕斷絲連’所描述的那樣，蓮藕其實是一種高強度的複合結構材料。
經過我們一系列加工後，蓮藕覆合材料的強度進一步增加，能夠在體內維持比較長時間的支撐強度，讓骨骼、神經、血管等能夠有足夠的時間生長和修復。”
生物活性 勝過骨水泥材料
吳鈞告訴記者，動物骨折後，可以將蓮藕製作的生物材料填入骨折的斷端，這是一種高強度、促進再生的填充材料，“我們還可以通過調控，讓蓮藕生物材料的降解速度與骨骼再生速度進行‘匹配’，這樣當骨骼長好了，蓮藕材料也在動物體內降解和吸收掉了。”
蓮藕具有生物活性，加速骨骼再生。
吳鈞表示，目前醫學上常用的骨水泥是一種高分子材料，主要幫助恢復骨骼結構，對促進骨骼再生能力有限。而蓮藕生物材料有望代替目前的骨水泥材料，實現骨骼更快再生。
“目前臨牀使用的骨水泥材料基本沒有孔洞，且沒有生物活性，植入的時間長了，常常會產生炎症和增生組織。”
生產關鍵步驟：凍幹、礦化
吳鈞介紹，蓮藕生物材料生產方式非常簡單——將蓮藕洗淨後，經過凍乾和礦化處理，再經切削和精細加工後，就可以在微觀上保持蓮藕的天然多孔中空結構，填入骨缺損部位。
凍乾和礦化工序主要有兩大作用，一方面是讓其“脱細胞”，使藕的免疫原性大幅降低，從而讓藕從植物變成一種可降解的材料。
“大家都知道，跨物種之間進行移植，會產生嚴重的免疫排斥反應，經過凍幹、礦化處理後，這些藕不僅具有良好的降解性能，可以在動物體內被降解吸收，同時也基本不會表現出免疫原性。”
此外，這一工序還可以讓蓮藕材料的強度進一步提升，“我們驗證過，經過這一系列工序加工後，蓮藕材料的強度與人體骨骼強度相當，比骨水泥強度略低。”
“這些工序做好後，根據受體骨損傷的具體情況，經過切削和各種精細加工，就可以生產出不同形狀的蓮藕三維支架可降解材料，植入受體體內。”吳鈞説。
實驗驗證
蓮藕支架有效促進新骨生成
那麼，蓮藕支架在促進骨折癒合方面究竟效果如何？吳鈞告訴記者：“在進行小動物實驗前，我們已在細胞分子學實驗中，率先證實了蓮藕三維支架能夠促進成骨分化，具有優異的促進骨再生的潛能。”
為進一步評估蓮藕支架對骨骼損傷修復的能力，2020年前後，吳鈞和他的團隊一起進行了“構建臨界顱骨缺損模型以評估蓮藕支架的促進骨損傷修復性能”的實驗。
這一實驗目前主要針對小鼠顱骨進行，實驗者將所有小鼠麻醉後，對頭頸部進行備皮和碘伏消毒，用手術刀沿頭部中線切開創口，隨後輕輕切開骨膜，使用止血鉗固定兩邊皮膚並暴露手術位置。隨後，在矢狀縫兩側使用環形骨鑽鑽開2毫米大小的臨界顱骨損傷，並將提前製備且滅菌的蓮藕支架嵌入治療組的小鼠缺損部位，而對照組的小鼠則不做治療處理，之後對所有小鼠的傷口進行縫合。
“在蓮藕支架植入治療2個月後，我們通過Micro-CT觀測小鼠顱骨部位缺損修復情況，可以看到蓮藕支架治療組缺損部位處有顯著的新生骨生成，癒合率達到50%左右，而對照組缺損處幾乎沒有癒合。這説明蓮藕支架能夠顯著加速小鼠體內骨缺損的修復與再生。”吳鈞説。
“接下來，我們準備開始做大動物實驗，即將在羊身上進行實驗驗證。”吳鈞説，目前人體出現大段骨缺損，要想恢復依然是醫學上的難題，“我們希望蓮藕支架材料能在這一難題上實現突破。”
未來，蓮藕支架有望修復人體大段骨缺損。
“此外，蓮藕不僅可以進行骨修復，我們也在嘗試將蓮藕製成極薄的片狀，用來製作傷口敷料，幫助傷口更快癒合。”吳鈞説。
凍豆腐、枸杞、油柑都在研究之列
除了蓮藕，吳鈞團隊近年來還嘗試使用凍豆腐、枸杞、油柑等食材以及中藥材開展生物醫學工程領域的研究。
吳鈞介紹，由於凍豆腐擁有蜂窩狀孔隙，也可以成為三維多孔支架，幫助傷口和骨骼的修復。團隊通過研究發現，將凍豆腐進行科學處理之後，能夠促進大面積創傷和骨組織癒合，在創傷部位使用豆腐，還能減少疤痕的產生甚至不會留下疤痕。
而枸杞、油柑則是為了提取它們的外泌體，研究它們是否對皮膚有修復和美白的作用，以應用於化妝品產業。
吳鈞曾在美國哈佛大學、麻省理工學院等高校深造，主要研究方向為生物醫學工程，他表示，研究這些食材、中藥材，主要受到他在麻省理工學院博士後合作導師羅伯特·蘭格院士的影響。
“羅伯特·蘭格可以説是現代生物材料、藥物研究的主要奠基人，為全世界培養了至少上千名教授，他最樸素的科研理念之一就是‘簡單有效’，比如先把自然界已經存在的生物材料的原理、機制弄清楚，之後再進一步進行應用方面的針對性提升。”
“在開發新材料方面，人類其實也需要回歸自然，從大自然中尋找各種啓發，這也是新材料領域的仿生學。自然界的生物，很多都已經進化了幾百萬年甚至上千萬年，本身就經過了優勝劣汰。目前，我們對大自然的開發利用還很少，尤其迴歸到植物上，開發利用得更少，我們開發蓮藕，是一個代表性的例子，希望大家能更加珍惜大自然，從大自然中獲得靈感。”吳鈞告訴記者。
科研機構談創新
首次實現在尿液內獲得幹細胞
再生醫學領域廣州科研成果豐碩
中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院（以下簡稱“廣州健康院”）的朱豔玲副研究員介紹，廣州健康院是國內最早佈局幹細胞與再生醫學領域的科研機構之一，歷年來誕生了很多重要科研成果，相關科研水平也享譽國內外。“國內做幹細胞與再生醫學相關研究的主要學者幾乎都造訪過廣州健康院。”
朱豔玲表示，幹細胞與再生醫學的研究工作中，最前期也是最關鍵的工作就是獲得幹細胞。
目前，獲得幹細胞主要分為兩種方式：
一類是從胚胎裏直接分離的人胚胎幹細胞；
另一類是通過將體細胞採用重編程的技術來獲得誘導性多能幹細胞（iPS）。
該技術曾獲得諾貝爾獎，獲獎的日本科學家山中伸彌主要通過在小鼠的體細胞上導入幾個關鍵基因的方法，讓這些細胞“返老還童”，迴歸到生物最初始的胚胎時期，從而獲得那種具有多能性的幹細胞狀態。
“既然小鼠的體細胞可以實現‘返老還童’，那麼人體細胞用同樣的‘重編程’方法是否可以製造出iPS呢？這成為幹細胞與再生醫學領域所有科學家孜孜以求的科學目標。
理論上，iPS可以分化為所有類型的人體細胞，從而可以治療很多疾病。同時，iPS的來源和應用也更加廣泛，因為它不需要受到胚胎來源的倫理限制。”朱豔玲説，為了攻克這一難題，時任廣州健康院院長的裴端卿研究員帶領團隊，進行了卓有成效的科學探索，取得了一系列重要成果。
“這些年來，我們研究院在幹細胞與再生醫學領域的研究已獲得兩項國家自然科學二等獎，主要圍繞解析重編程的相關機制以及提高重編程效率來進行研究，後續我們也將在幹細胞應用的研究方向上繼續探索。”
朱豔玲所在的課題組——潘光錦研究團隊成功實現了從人體尿液細胞獲得iPS，“人體尿液中會存在一些自然脱落的尿道上皮細胞等體細胞，通過離心收集之後，將這些細胞進行培養和增殖，並通過重編程技術給這些細胞轉入幾個基因，發現它們一樣可以獲得iPS。後續我們發現，這些通過尿液獲得的iPS也是安全可靠的。”
朱豔玲告訴記者，這項研究有三大優勢，一是無創，二是週期快，三是依靠廣州健康院開發的相關技術，能夠實現導入基因的非整合表達，相較以往重編程技術來説會更加安全。
朱豔玲説：“在幹細胞應用方面，因為iPS具有分化成人體各種細胞的潛能，我們主攻的方向之一是血液系統，我們想讓幹細胞分化成有功能的血液細胞，如實現大規模體外獲得免疫細胞。目前我們已經成功構建了幹細胞分化為NK細胞、巨噬細胞、中性粒細胞等免疫細胞的技術體系，後續將逐步推動幹細胞來源血液免疫細胞的臨牀應用。”
朱豔玲介紹，目前，市場上比較多見的幹細胞產品是間充質幹細胞。“iPS的層級還有它的多能性要遠遠高於間充質幹細胞。當然，目前國內已經有企業利用iPS生產各類有用的體細胞。一些企業獲得臨牀批件之後，就將開始進行臨牀試驗，如果臨牀試驗通過，確實證明它有效果，這些細胞產品就可以作為藥品上市。”
文、圖/廣州日報新花城記者：武威、張丹