第三章撒精灵尘的男人

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再生医学与再生肢体

他严重受损的右大腿肌肉出现了一丝微弱的脉搏，但起初太过微弱、缓慢、差点就被他忽视了。接着，脉搏跳动的次数变得越来越多。有些人会认为，这是不可能发生的。不过，伊萨亚斯·埃尔南德斯（Isaias Hernandez）下士可以感觉到，他的股四头肌变得更强壮，肌肉正在逐渐恢复。

2004年12月，当他第一次到达位于美国圣安东尼奥的布鲁克陆军医疗中心（Brooke Army Medical Center）的创伤病房时，埃尔南德斯的腿看上去像是肯德基（KFC）店里的东西——就像你朝鸡腿一口咬下去直到露出骨头为止。

埃尔南德斯是在伊拉克西部一座沙漠空军基地行走时被击中的，他当时胸前抱着一台紫黑相间的12英寸电视机。塑料电视挡住了他的重要器官，缓冲了炮弹碎片的冲击；搬运DVD机的那位伙伴就没那么幸运了，他没能活下来。

医生不断地告诉埃尔南德斯，截肢会让他的状况变好一些。安上假肢，运动灵活性更强，疼痛也更少。在他拒绝时，医生们从他背部取下一块肌肉，缝在他大腿的空洞处。他竭尽一切努力康复。他拿出了当年通过新兵训练营的坚定决心，忍受了物理治疗的刺骨疼痛，伴着呻吟和汗水——他甚至偷偷溜到楼梯间，尽管医生们都觉得他做不到，但他几乎是把自己一级一级地拖上台阶，直到他的腿突然变得僵硬，才终于倒下。

不过，伤口并不会因为他这样做就能重新长好。炮弹炸毁了埃尔南德斯90%的右大腿肌肉，使他失去了一半的腿部力量。失去任何一块肌肉的一大部分，都可能会导致失去整个肢体——再生的机会遥不可及。身体会转而进入生存模式，用瘢痕组织敷在表面，最后可能一辈子都得一颠一跛地走路了。

对埃尔南德斯来说，已经过去3年时间了，结果很显然，他的身体状态没什么变化。最近，截肢的话题再次摆上台面。痛苦始终不变，而他正在失去希望。

然而，埃尔南德斯从《探索科学》（Discovery Science）频道上看到一档电视节目，一切都改变了。这一集介绍了辛辛那提一位越战老兵李·斯皮瓦克（Lee Spievack）的故事，他的指尖被一架模型飞机的螺旋桨削断了。斯皮瓦克的哥哥是波士顿的一位外科医生，哥哥送给斯皮瓦克一瓶叫作“精灵尘”的魔法粉末，让他撒在伤口上。现在，他的指尖已经重新长回来了。

这时候，埃尔南德斯突然想起：他第一次遇到那位医生的时候，医生不是也跟他提到过某种实验性治疗方法吗？可以给伤口“施肥”并有助于痊愈。

那位医生名叫史蒂文·沃尔夫（Steven Wolf）。2008年2月，埃尔南德斯找上门来时，沃尔夫同意拿这位19岁的海军陆战队士兵当小白鼠。首先，沃尔夫让埃尔南德斯做了一个物理疗程，过程很痛苦，以确保他的新肌肉的生长能力确实已经达到极限。然后，沃尔夫切开埃尔南德斯的大腿，植入一块像纸片一样薄的物质，其材料跟“精灵尘”的相同——猪膀胱的一部分，称为细胞外基质（extracellular matrix，ECM）。最后，沃尔夫给这位年轻的士兵安排了另一个痛苦的物理疗程。

不久，了不起的事情发生了。在大多数科学家看来已经永远消失的肌肉竟然开始长回来了，他的肌肉力量增加了30%，然后增加到40%。6个月后达到80%，进而达到97%，现在达到手术前的103%。最初几个月里，埃尔南德斯的肌肉力量增加了11%，并一直在持续增长。今天，他可以完成一些他以前根本做不到的事情，比如缓缓地坐到椅子上而不是一下子跌坐进去，弯下膝盖，骑自行车，或者爬楼梯不跌倒。

两年后，匹兹堡大学麦高恩再生医学研究所（McGowan Institute for Regenerative Medicine）的研究小组获得批准，开始在5家机构开展一项针对80位患者的研究，该项目将使用同一种细胞外基质，帮助已失去至少40%特定肌肉群的患者促进肌肉再生——这种程度的损伤对肢体功能具有极大的破坏性，往往会导致患者截肢。埃尔南德斯是第一位志愿者。他希望恢复更多的力量并重回部队服役。

如果实验成功，这将有助于从根本上改变我们治疗重大肢体损伤的办法，开始一段其倡导者希望有朝一日能“让假肢产业破产”的进程。

对一些人来说，休·赫尔的仿生学冒险，以及李·斯威尼的基因工程学研究，听起来都像科幻小说。不过，人类运动增强领域还有第三个前沿阵地，在某些方面甚至更加奇幻。美国各地的顶尖大学里，生物工程师正在研究如何利用和提高细胞及信号传导剂，并构建和修复人体部位的能力。凭借这些知识，他们试图在斯威尼和李世镇的基础上更进一步，从某种程度上说，这两人所关注的只是打开或关闭已存在于肌肉中的细胞开关。“再生医学”领域的生物工程师，正在诱导细胞完成一些直到几年前还看似不可能的事情——通常永远不会再长出来的断骨碎肉的再生，新的人体器官在体外生长并植入患者体内，皮肤细胞从气雾罐里喷至烧伤患者体表。

有些人甚至在断肢重新生长方面取得了初步的进展——就像蝾螈可以重新长出尾巴一样。还有些人将遗体捐赠者的手部、脚部甚至面部移植到患者身上。所有这一切都为人类提供了可能的范式转变时刻——在不远的将来，人类或许可以重新生长或更换新的身体部件，就像现在汽车换新轮胎那样容易。这种科学发展可以重新定义老龄化的概念，大大提高数百万人的生活质量。

虽然这种发展本身是新的，但这种想法久已有之。数个世纪以来，研究人员一直在探索这种神秘的机制，一方面限制了某些物种的再生，另一方面却能让其他物种不断再生。蝾螈可以重新长出尾巴、四肢甚至眼睛。龙虾可以长出新的钳子。一些蠕虫可以长出新的大脑。许多人想知道，为什么人类做不到呢？

到了18世纪，这些现象在低等动物中表现得非常明显，法国哲学家、讽刺家和作家伏尔泰在切断蜗牛头部并观察其头部再生后，给他的一位盲人朋友写了封信，信上说，他认为人类很快就会解开这些谜团，也能做到再生。

事实上，纵观有记载的人类历史，也有一些诱人的证据表明，或许这种能力确实潜藏在我们自己的身体中，等着被发现、研究和利用。头号案例便是癌细胞生长的某种出名变种，最著名的携带者是兰斯·阿姆斯特朗（Lance Armstrong），这种怪异的癌变肿瘤被称为畸胎瘤，古希腊人称之为“肿大怪物”。大多数肿瘤只含有一种类型的细胞，而畸胎瘤则经常由许多不同类型的细胞和组织混合在一起形成巨大且可怕的肿块。里面可能含有骨骼碎片、肌肉纤维、软骨结节、流体、大量毛发和婴儿牙齿，也可能会有心脏组织块的搏动或者脂肪的颤抖。畸胎瘤相对罕见，通常可以在卵巢或睾丸中发现，偶尔也会出现在颈部、心脏、肝脏、胃、脊髓，甚至眉下部位。

这真是一幅骇人的景象——试想一下，从牙齿里发现一颗肿瘤，还带有心脏肌肉的搏动。但几十年来——甚至几个世纪以来——畸胎瘤或许已成为最具吸引力的证据，证明人类细胞某处存在着这样的能力，休眠着、隐藏着，能够在任何时候生长出各种各样的组织和细胞类型。只要我们能学会利用这种能力，就能获得无限的可能性。毕竟，如果说我们可以在眉下或者胃部长出由婴儿牙齿、大量毛发和皮肤组成的肿瘤，那么是不是可以由此推断，假如我们的身体得到恰当的引导，也可以在正确的部位长出一条新腿甚至一个新的头呢？

然而，几个世纪以来，科学家、医生和哲学家都在思考这些谜团。蝾螈是如何重新生长出尾巴的？成年人身上怎么会长出畸胎瘤呢？

就此而论，医生告诉伊萨亚斯·埃尔南德斯下士，他的腿已被永久性地毁坏了，世界上其他99.9999%的医生可能会告诉他应该截肢，但他为什么能够重新长出腿部肌肉呢？

为了寻求答案，我飞往匹兹堡，会见20世纪80年代中期发现猪膀胱肌肉再生技术的人，一位名叫斯蒂芬·巴德拉克（Stephen Badylak）的瘦削且外向的研究人员。一个冰冷的冬日，我坐在巴德拉克旁边，驱车穿过这座城市。巴德拉克刚刚在匹兹堡大学医学院的主校区举办了一场讲座，我们此时正在回程的路上。

我们驶过满是沙砾的街道，两旁是挨挨挤挤的排屋，车子沿着蜿蜒曲折、绿荫夹道的山路向下开，最后停在一座闪闪发光的办公大楼前，高楼俯瞰着莫农格希拉河，另一侧是陡峭且树木繁茂的山丘。这座由钢铁和玻璃建成的5层高楼刚刚落成，耗资2100万美元，是麦高恩再生医学研究所的总部，该研究所在此蓬勃发展的新兴研究领域处于世界领先水平，巴德拉克那些宽敞的实验室便位于其中。

当我们坐在巴德拉克的办公室里时，我向他提出了一直困惑我的问题，毫不掩饰我的怀疑态度。这个问题他之前回答过千万遍，且多年来一次又一次地折磨着他、吸引着他、指导着他和困扰着他。尽管我了解关于肌肉生长抑制素、遗传学甚至IGF-1等信号传导剂的全部知识，我却问他，你怎么可能做到用一块猪膀胱来再生肌肉呢？巴德拉克懒洋洋地微笑着，带着反复练习的耐心，爽快地承认这个想法听起来不靠谱——实际上根本就是太离谱，以至于他几年来都“不愿意和临床医生讨论这个问题”。

“他们不相信我的结果，”巴德拉克说，“大多数人都不相信。”

巴德拉克的发现之所以总是让那些初次听说的人难以相信，不仅仅是他声称可以用另一种物种的细胞以某种方式来使人体的组织再生——这一过程几乎肯定会引发免疫反应。巴德拉克还坚持认为，他的材料实际上可以在几个月内就发生转变，从一块看似只能用于收集尿液的膜片，转变成任何类型的受损身体组织——肌肉、皮肤或血管。这种论断远远超出了科学界可接受的范围，直到最近才有所改变。

最怀疑此事的，莫过于为巴德拉克的研究资金申请做审核的专家了。20世纪80年代和90年代，巴德拉克就向美国国立卫生研究院提出了申请。对方的回应是：“这是一个疯狂的想法。永远不可能成功。谁会尝试这种事情？”最后是怎么成功的呢？

光靠思考是徒劳无益的，因为除了事实上真的有效以外，巴德拉克对这个问题也没有很好的答案。不过巴德拉克承认，他不能解释其中发挥作用的神秘机制，他自己也并不理解个中原因。事实上，他最初甚至根本没打算要研究组织再生。

现代科学中这种情况屡见不鲜，巴德拉克发现这种疗法也纯属偶然。与斯威尼不同的是，巴德拉克的身份更接近临床医生而非后台实验室科学家。当然，他的探索最终会像我们迄今为止所遇到的科学家们一样，指引他义无反顾地追寻人体逆向工程这一宏大目标。但一开始，他并不想探求如此破天荒式的认识。巴德拉克最初的做法，反而跟年轻时的休·赫尔有更多共同之处。他是一位实用主义者，比起揭开大自然的奥秘，他对制造人体替换部件这样更具现实意义的问题更感兴趣。

巴德拉克调皮地眨着双眼对我说：“这一切都开始于一个‘轻率毛躁’的主意和一只名叫‘罗基’（Rocky）的杂种狗。”

1987年，巴德拉克刚刚入职普渡大学（Purdue University），他与一位名叫莱斯利·格迪斯（Leslie Geddes）的血管生物医学工程师共事。这位年轻的印第安纳州人有着异乎寻常的学术背景。大学毕业后，巴德拉克在普渡大学获得兽医学学位，并开始诊治动物，后来他意识到要确诊那些令他着迷的病症所需的检测费用太高，大多数宠物主人都付不起。巴德拉克备受挫折，也担心自己会日渐无聊，于是他又回到普渡大学拿到了动物病理学博士学位。然后，他在权衡了多份教职工作后，转而决定去医学院。

巴德拉克利用他的关系网来帮助自己勉强度日——他在家中开了一间实验室，为之前的兽医同学寄来的样本诊断雪貂淋巴瘤和狗乳腺癌病例。

当巴德拉克开始他的研究生涯时，很自然地会在他最了解的动物受试体上检验某个面向人类患者的假设。匹兹堡大学的外科医生开创了一种用于人类心脏病患者的实验性技术，叫作心肌成形术（cardiomyoplasty），该技术先从患者的背部肌肉取下一片肌皮瓣，将其包裹在衰竭的心脏周围，然后对其反复施加刺激以促进其挤压血液在全身流通。

但是心肌成形术有一个缺点——它依靠合成管来代替主动脉，这通常会引发免疫反应，导致炎症和血块的形成。巴德拉克认为，如果他能够在患者体内找到血管替代品，那他就可以消除免疫反应，从而解决问题。

一天下午，巴德拉克给那只名叫罗基的可爱杂种狗注射了镇静剂，取下了它的一部分主动脉，并用最接近它血管管状结构的部位，即部分小肠代替。巴德拉克并没有真正期望罗基能够活过当晚。但他认为，如果罗基到了次日早上没有血流不止，就证明肠子用来导通血液是足够坚固的，这点值得进一步去实验。

巴德拉克后来承认，这个实验是“轻率毛躁”而又“不按套路”的，换作今天，这个实验可能永远无法通过大学动物保护和使用委员会的审批。即使在当时，巴德拉克的第三年心血管外科住院医生也称这种想法“残酷”和“荒谬”，因此拒绝参与。

然而，就在罗基接受手术后的第二天早上，巴德拉克来上班时，他发现这只狗正摇着尾巴，准备吃早餐。巴德拉克一直在等待罗基死亡，但几天过去了，几周也过去了，罗基依然生龙活虎。

“我那时还不想给它做外科手术来打开看，因为我想看看肠子到底能坚持多久。”巴德拉克说。

事实上，巴德拉克还在另外15只狗身上重复了这一步骤。6个月后，巴德拉克终于剖开了其中一只。他回忆说，就在那时，“事情真的变得很奇怪”。巴德拉克没有找到移植的肠道。经过检查并复核确认果真是这只狗之后，巴德拉克将一块从移植目标区域中采集到的组织放到显微镜下。观察到的结果使他无比震惊。

“我看到的是一些本不应该发生的事情，”巴德拉克说，“这违背了我在医学院学过的所有知识。”

显微镜下，巴德拉克仍然可以看到缝线的痕迹。不过，肠道组织消失了。取而代之的是重新长回来的主动脉。

“没有人会把肠道和主动脉弄混的，”巴德拉克说，“两者的微观图像完全不一样。我试图让自己能想到的每个人都过来看看。我不停地问：‘我没看错吧？’”

肠道由柔软、光滑、薄薄的管壁组成，带有称为肠绒毛的毛状突起。主动脉则较厚，带有肉质横纹层，其组织特性与肌肉类似，李·斯威尼花费了很多时间就是在研究这种微丝和纤维。接下来的几周里，巴德拉克检查了另外几只狗。因为这几只狗愈合的时间有长有短，他就得以一次又一次地观察到肠道组织转变成血管组织的过程——证明实验绝非偶然。

巴德拉克已经明白了罗基是“怎样”奇迹般地康复的——这只狗实际上还可以再活8年。但他接下来将面临一个更大的谜团，也就是奇迹背后的“原因”。

巴德拉克提出了一个初步的理论。也许身体一直存在着某种再生组织，只不过被身体的天然炎症性免疫反应给遮蔽了。这也解释了为什么使用合成材料取代主动脉的手术中没有出现这种情况——因为会一直受到炎症的干扰。

巴德拉克为了检验他的假设，改变了条件重做实验，如果他的理论正确，那就必然会引发炎症反应——他用另一只狗的肠道替换了宿主狗的主动脉。巴德拉克预计，宿主狗的免疫系统会将肠道作为外来物质加以排斥，导致免疫细胞出现并发炎症，从而抑制再生反应。

不过，在巴德拉克将外来肠道缝合进宿主狗的主动脉之后，并没有出现任何炎症反应。巴德拉克重复了这个实验——这次是把猫的肠道用在狗的体内，他确信这样会引发预期的反应。但结果又一次令他大为震惊。狗的身体接受了它。

这下子，巴德拉克知道，他会花很长一段时间来研究小肠，而且他需要很多小肠。因此，为了接下来的实验，巴德拉克从普渡大学附近的印第安纳州乡村里数百家猪屠宰场中找了一家，使用了他家的猪肠。如果这也能起作用的话，那么他所需的材料肯定是够的。

果不其然，受试狗在接受猪肠道手术后的第二天就等着吃早餐，很多天之后仍是如此。从那以后，猪的内脏便一直是这位医生实验室的必需品。

此时，巴德拉克确信，这些小肠除了能促进再生外，还具有某种抑制炎症的功效。他回想起，他曾经在一场兽医学院病理学讲座中听说过一篇关于肝组织再生的奇特论文。他似乎还记得，假如你吃了毒药，所有肝细胞都毁了，但这个器官仍然能自我再生——只要被称为“细胞外基质”的器官结构支架仍保持完好。不过，一旦这个支架也毁了，身体就会产生大量瘢痕组织来做出反应，并且不会再生。

巴德拉克开始剥离肠道组织表层。他的怀疑很快就得到了证实——当他剥去了黏膜内部和肌肉外层所包含的所有活细胞，只剩下薄薄一层小肠结缔组织（称为“黏膜下层”）组成的细胞外基质层时，再生效果会变得更好。

巴德拉克已经开始梦想这种神秘材料的医疗用途。在令人兴奋的最初发现阶段，也即1987—1990年，他突破了其可能用途的极限。他先是将其从大动脉转移到大静脉。然后，他发现这种材料对小静脉也起作用。最后，巴德拉克在完全不同的身体部位上加以尝试——他取走了狗的一大块跟腱，将猪肠道的黏膜下层覆盖在上面。

任何哺乳动物对重大损伤的正常反应都是形成瘢痕组织，而不是更加旷日持久的损伤再生过程。这样做很可能具有明显的进化优势：身体可迅速封闭，免遭致命感染，阻隔细菌，使我们得以活下来。不过，巴德拉克的狗的跟腱并没有产生疤痕，因此也没有出现永久性跛足。相反，狗的整根肌腱都长回来了。

为了真正理解细胞外基质具有神秘再生能力的原因，巴德拉克需要深入细胞水平，实时观察组织中各个组成部分的相互作用。但是当他开始将生物化学领域的各种可能性全部应用到细胞外基质结构上时，却收效甚微。

我们已经知道，细胞外基质是一种将细胞组织结合在一起的胶状物质——一种细胞层面的骨架结构，我们生物过程的真实机器（神经、骨骼、肌肉）由此才得以各居其位、各谋其政。细胞外基质由人体最庞大的蛋白质——被称为胶原蛋白、层粘连蛋白和纤连蛋白的结构部件组成，它们共同编织成一张复杂且看起来坚不可摧的网，形成一个支架。几乎没有人提出细胞外基质不止于此。

不过，这张网还包含了另一类天然存在的蛋白质，称为生长因子，它可以刺激细胞生长，看起来很值得研究。巴德拉克和他的团队借助电子显微镜和生物化学理论，花费数年时间分析，并发表了有关这类蛋白质的论文。他们还将肝脏、膀胱、心脏和食道作为细胞外基质的其他潜在来源。此外，他们完成的实验还揭示了细胞外基质的另一项重要特征——当巴德拉克在培养皿上放置已知细菌样品并添加不同细胞外基质的切片时，细菌便无法生长。看来巴德拉克的神秘物质不仅可以抑制体内天然的免疫反应，还自带抗菌特性，因此身体也不必产生免疫防御反应。

尽管取得了上述这些进展，但巴德拉克也承认，当他在1996年与一家买下这所大学研制材料出售权的私人公司代表们坐下来进行一系列商谈时，当他与美国食品药品监督管理局（FDA）讨论这种生物支架在人类身上进行初步测试时，细胞外基质治愈能力的真正机制仍然没有得到解决。尽管结论尚不清晰，但巴德拉克和他的赞助商依然通过一种变通策略赢得了FDA的批准——这种产品类似于已经被批准用作支架或伤口“补丁”的其他材料——只是作为简单的填充剂，不提供任何再生方面的优势。

FDA批准这种材料用于测试后，美国各地的外科医生首次开始在人类患者身上使用这种新材料。也正当此时，巴德拉克再一次偶遇了根本设计不出来的幸运的意外，因此获得了第二次顿悟。

1999年，巴德拉克在洛杉矶拜访了一位使用这种材料的外科医生。这位医生名叫约翰·伊塔穆拉（John Itamura），他将一个支架植入患者肩部，患者需要在8周后接受另一场手术以治疗某个无关的问题。这一幸运的巧合让医生们得以提前从患者肩部手术区域取出样本并检查其效果。正如预期的那样，活组织检查结果显示，支架已经消失。但还有一个惊喜——手术部位仍然非常活跃，数目反常的不同细胞占满了这块区域。

起初，巴德拉克大感困惑。他知道，导致细胞活跃的不是支架，因为支架早已分解了。他意识到，原因只能是支架分解后留下的产物——也许就是一直潜藏在支架内部等待释放出来的分子。巴德拉克开始翻找科学文献以寻求答案。

巴德拉克很快发现，一种叫作隐性肽的成分或许可以解释细胞外基质的许多独特现象。其他领域的研究人员此前已经确定这些肽片段是较大母体分子的组成部分，并且证明当这些较大母体分子降解时，肽片段可以被释放并激活。科学界已经知道，这些隐性肽具有强效的抗菌作用和重要的信号能力，这在某些方面与我们在上一章中了解到的肌肉生长激素很类似。

“过去几乎人人都认为，细胞外基质只是一种结构支撑，它能让你站起来，支撑体重，把东西连接在一起，”巴德拉克说，“但现在我们知道，情况几乎恰恰相反。它主要是一种信号蛋白和信息的集合，这些信号蛋白和信息被保存在胶原蛋白之类的分子结构中。”

巴德拉克回到显微镜前，观察众多微小细胞聚集在细胞外基质分解后的位置，显然它们是被这些信号肽的集合召集过来的。从其数量和特征来看，这些新来者并不像肌肉、神经或血细胞，而是某种完全不一样或不寻常的东西。这些是异常光滑的圆形细胞。巴德拉克知道他正在接近答案。

而这些细胞有些似曾相识。

1960年4月的一个星期日的早上，一位名叫欧内斯特·麦卡洛克（Ernest McCulloch）的年轻加拿大科学家驾驶着他那辆破破烂烂的道奇车（Dodge）穿过多伦多街头，前往安大略癌症研究所（Ontario Cancer Institute）的一间实验室去检查他的实验鼠。

麦卡洛克的主攻方向是白血病，在20世纪50年代早期，他一直密切跟进一系列振奋人心的实验，这些实验首次表明了一种名为骨髓移植的新技术具有神奇的治愈能力。

通过研究核武器的破坏性影响，科学家们认识到，辐射暴露的主要影响之一是破坏人体补充血细胞供应的自然能力。这是个大问题，因为血细胞是体内所有细胞中更新速度最显著的，每个细胞的平均寿命只有120天。红细胞的作用是携带氧气、并通过血管运输到身体各个部位，任务艰巨。我们全身血液中仅有25万亿个红细胞，这意味着我们必须以每秒200万—300万的速度补充血细胞，才能维持氧气供应。

与此同时，负责伤口凝血的血小板和负责抗感染的白细胞，通常只有一天的寿命。

假如科学家不施加干预以帮助实验鼠补充损失的血细胞，受到辐射的实验鼠很快就会失去向身体其他部位输送氧气，以及在受伤时凝血的能力，这些动物便会死亡。但科学家们发现，如果他们将健康鼠的骨髓重新注入受辐射的实验鼠的骨髓中，这只实验鼠便会奇迹般地恢复。骨髓细胞似乎在血细胞再生过程中起着不可或缺的作用。

对于富有开拓精神的研究人员来说，不必花太长时间便可从中窥见治愈癌症的潜力：如果让患有肿瘤的小鼠接受足够多的辐射，就可以把小鼠骨髓中的肿瘤和健康细胞同时杀死。然后，只要通过骨髓移植来替换健康细胞即可。

在那个决定命运的星期日之前，这项技术就已经被其他人证实，但这项新兴技术仍有很多未解之谜。究竟是什么机制在起作用——为什么骨髓如此重要？受到不同程度辐射的细胞的死亡率是多少？拯救一只动物需要移植多少骨髓？

正是这类问题指引着麦卡洛克和另一位名叫詹姆斯·蒂尔（James Till）的年轻研究员努力寻求答案。实验室中，他们让数十只实验鼠接受辐射照射以杀死其骨骼中的骨髓，代之以取自健康鼠的骨髓细胞。两人精心设计了详尽周密的实验方案，旨在精确地计算出细胞死亡、再生和存活的数量。

但是，在多伦多那个安静的星期日，麦卡洛克在前往实验室检查老鼠时，几乎没有理由相信他将就此永远改变科学界，并为再生医学这一新领域埋下种子。不过他在实验室做出的一个仓促决定成了这一切的理由。

原本，麦卡洛克和蒂尔打算在照射小鼠后等待几个星期，然后再去除股骨和脾脏，详尽检查其体内产生细胞的数量和健康状况。等到他们剖开大部分实验鼠的时候，神秘再生现象的一切痕迹都消失了——尽管接受骨髓移植的实验鼠健康状况有所改善，并足以证明对某种形式的再生确实产生了影响。但就在那个星期日，移植手术后只过了10天，麦卡洛克决定提前牺牲一只小鼠。

当他剖开实验鼠的后翼部时，他为自己发现的结果大为惊讶。清晰可见的是，老鼠脾脏（在造血方面起主要作用的器官）处出现了发育成熟的老鼠体内从未见过的大结节块。麦卡洛克仔细统计这些结节后，发现了注入实验鼠的骨髓细胞数量与其脾脏肿块数量之间有明确无误的相关性。利用放射性标记法，研究小组很快就能证明每一个肿块中都鼓鼓地填满了红细胞、白细胞和血小板的前体细胞。结果发现，所有这些前体细胞都衍生自一种单细胞，这种细胞就藏在一并注入受体鼠骨髓中的众多细胞之中。

这些单细胞被称为“干细胞”。

麦卡洛克初次瞥见了一个捉摸不透的影子，研究人员早就猜测到它的存在，却未能将其分离出来。他和蒂尔证明了干细胞的存在，后来为之下了定义。麦卡洛克写道，干细胞是单个的未分化细胞，可以增殖产生分化细胞。实验鼠接受骨髓移植后，体内这些健康的干细胞使它们再生出生存所需的血细胞。

科学家后来发现，干细胞可以解释癌性畸胎瘤（也即“肿大怪物”）能够分化出牙齿、头发和皮肤的惊人能力。蝾螈之所以能让四肢再生，也正是因为干细胞。

而在外科医生约翰·伊塔穆拉从患者身上取得的肩胛组织中，这些干细胞正在使肌肉再生——斯蒂芬·巴德拉克终于开始理解，他多年前偶然发现的那种物质为什么会具有神秘的愈合能力。

在这位洛杉矶外科医生的办公室，望着显微镜中这些异常光滑的圆形细胞汇集在肌肉上，巴德拉克意识到，他已经找出方法把麦卡洛克和蒂尔的干细胞大军召集到受伤肌肉区域——并以某种方式改变其身体默认的愈合机制。他想要召集的那一类细胞位于骨髓中。虽然骨髓干细胞不是可塑性最强的干细胞——可塑性最强的是分化程度较低的干细胞（例如，胚胎干细胞可以发育形成任何类型的组织）——但这种细胞被认为是人体内部的多面手，可以修补身体并产生我们所需的组织。（李世镇的肌肉生长抑制素实现抑制作用的方法之一就是抑制干细胞的活性。）

2003年，巴德拉克前往实验室，最终证实了他的怀疑。依照麦卡洛克和蒂尔的一篇论文，巴德拉克首先用X射线照射小鼠，杀死它们骨髓中的所有干细胞，然后再用带有荧光标记物的干细胞重新填入骨骼。当他取出一只小鼠的跟腱并加入细胞外基质时，带荧光的干细胞在几天内便涌入这处区域。几个月后，部分带标记的细胞仍然存在——意味着其中一些细胞已经发育成熟为再生组织。

自那时起，巴德拉克实验室的研究人员便一直在试图分离细胞外基质中能够吸引干细胞的各个组成部分。他们通过使用酶和洗涤剂来分解细胞外基质的母体分子，并根据多种特性（如分子量）将产物分离成不同的组分（混合物中的各个成分）。然后，研究人员珍妮特·莱茵（Janet Reing）对所得“组分”进行分析检测，使用由一排独立井组成的设备，每个井都覆盖有过滤器，可将之与公共通道隔开。她在每个通道底部都放置了细胞外基质的不同组分。当将不同类型的干细胞插入公共通道时，她便可以观察哪个独立组分对干细胞的吸引力最大。

21世纪的头10年，莱茵和其他研究人员将这些组分的数量越筛越少，从含有数千个分子的一团迷雾逐渐缩减到越来越小，也越来越具体的片段，锁定追踪个别的肽类。巴德拉克和他的团队此时认为，这些肽中的一部分还负责抑制自然的结疤反应——在现代医学出现之前，生成伤疤有助于存活，因为那时，一个小伤口也可能导致感染致死。

“从进化角度来看，伤疤是有意义的，”巴德拉克实验室的一位医学—哲学双博士研究生里卡多·隆多尼奥（Ricardo Londoño）说，“在现代医学出现之前，因为血液流失和感染，人类只要一受伤就很可能会死亡。在数百万年的进化过程中，封闭伤口是最重要的。生成伤疤是一种应急式的修复方式。”

过去的5年来，隆多尼奥一直致力于研究植入式细胞外基质生物材料的早期免疫和干细胞反应。他指出，组织再生和修复离不开细胞和分子信号，一旦身体组织受伤，如果要从头开始产生这些信号就太迟了。他指出，蛋白质表达和信号生成可能需要数小时甚至数天的时间。因此，大自然的完美解决方案就是预先创造出这些信号，但会给这些信号加密。

“这差不多就像你把核武器密码发送给潜艇时那样，”隆多尼奥说，“指令就在那里，但它们是加密的，直到确有必要时才会发送密钥。这些信号以隐性肽的形式藏在细胞外基质里面，加密的方式是把它们做成较大分子的一部分，并让它们的活性部位无法被邻近的细胞读取。”

腿部的一大块肌肉被炸毁后，正如那天伊萨亚斯·埃尔南德斯下士在伊拉克西部被炮弹击中后，加密信号便不再表现为待解密的状态了。巴德拉克发现，你可以把这些信号以细胞外基质生物材料的形式添加到受损部位，此时身体就会降解细胞外基质，解码其中所包含的加密信息，然后召集干细胞来完成任务。

除了巴德拉克在罗基身上见证到的神秘愈合能力外，干细胞和其他类似细胞还解释了很多其他现象。研究表明，肌肉生长抑制素（上一章中我们提到斯威尼专门研究的对象）产生抑制作用的原因之一就是，可以使干细胞处于“静止”状态并抑制其自我更新。另外，IGF-1（斯威尼用来有效创造出“施瓦辛格鼠”和“施瓦辛格狗”的物质）则有助于促进干细胞的活性。

更重要的是，干细胞的建造能力远远超过肌肉。全身上下每种身体组织，只要追溯得够远，你总会找到干细胞。干细胞形成我们的大脑、心脏、血液和牙齿。干细胞解释了我们如何长出骨头。

不过，干细胞如何知道该怎么做呢？究竟是什么决定了干细胞该变成罗基的一根肠子，还是一块新的肌肉呢？干细胞是如何长成内脏器官的一部分的？又或者是长成一个新的人体呢？我们可以在多大程度上利用这一发现？

身处生物工程这一蓬勃发展的新领域，许多人都在积极追求这一问题的答案。一位在塞尔维亚出生的研究专家戈尔达娜·武尼亚克-诺瓦科维奇（Gordana Vunjak-Novakovic）也不例外，她也在向外推动有关人体如何建造、愈合和再生的知识疆界。

20世纪80年代，大约是巴德拉克在罗基身上进行第一次实验的时候，武尼亚克-诺瓦科维奇凭借富布赖特奖学金从祖国塞尔维亚来到麻省理工学院，进入另一位再生医学先驱的实验室工作，这位科学家后来可谓是组织工程学领域的代名词——罗伯特·兰格（Robert Langer）。

武尼亚克-诺瓦科维奇与兰格，以及实验室里的其他人员一道从事的实验研究，揭示了一系列有关人体自愈反应和指挥这些反应的内部信号的重要见解。通过理解这些信号，武尼亚克-诺瓦科维奇和她的合作者（其中包括巴德拉克）正在帮助科学界朝着控制组织再生这一长期难以实现的目标迈进。

他们不仅发现了如何将干细胞召集到伤口的位置——正如巴德拉克所做的那样——还发现了如何将之隔离出来并在体外进行实验。他们正在学习如何指挥干细胞变成人们想要的组织类型——如何控制那些捉摸不透的，能产生由头发、牙齿和皮肤混合形成的“肿大怪物”癌变组织的干细胞。他们正在生产了不起的产品——不只是肌肉，还有皮肤、软骨和骨骼。

我去拜访武尼亚克-诺瓦科维奇，她的办公室位于曼哈顿第168街的哥伦比亚大学医学中心范德比尔特诊所（Vanderbilt Clinic）的12楼。她带我进入一间摆满了小瓶子的冷藏室，然后，她从一个橱柜中取出一块在实验室里制成的心脏，这简直不可思议。这块心脏组织似乎自己在搏动。

“干细胞获得的指令来自它们接受的营养物质、它们感受到的电脉冲强度、它们获得的氧气，以及它们所经历的运动。”武尼亚克-诺瓦科维奇说，“所有这些因素不仅向干细胞指明了它们周围的物理环境，还指明了它们所处的身体部位。我们需要创建一个人造环境，来模拟出所有这些，以‘指示’细胞何去何从。”

巴德拉克的兽医经历帮助他成为蓬勃发展的组织工程领域的实验外科医生，而武尼亚克-诺瓦科维奇的学术专业则帮助她在另一个前沿领域扮演了领导者的角色：建立这些人造环境并找到控制环境的方法。

在20世纪80年代早期，当武尼亚克-诺瓦科维奇还在贝尔格莱德大学攻读化学工程博士学位时，她从来没想过有朝一日人类可以制造出身体部位。那时，她感兴趣的是弄清液体中气泡和微小固体颗粒混合所产生的力和运动。她的研究涉及封闭式反应器的数学建模和实验，最明显的应用领域是依赖于发酵的行业，比如食品生产，以及青霉素等抗生素的生产。这份科研需要她建立能够精心模拟和控制化学反应的反应器。

作为贝尔格莱德大学的一名年轻教员，武尼亚克-诺瓦科维奇很快就被生物体内分子间发生的化学相互作用所吸引，这种兴趣是偶然产生的。1986年，她在麻省理工学院参加富布赖特项目研究期间，引起了罗伯特·兰格的注意。兰格正在试图为患者体内的血液解毒，同时也正在寻找人选来制造可选择性去除血液中药物的机器。

武尼亚克-诺瓦科维奇返回贝尔格莱德大学之后，每半年都会到波士顿旅行，此外还与兰格及其他合作者保持联系。在1991年的一次回访期间，她祖国的种族紧张关系演变成了战争。“我越来越清楚地认识到，离开南斯拉夫是件好事。”武尼亚克-诺瓦科维奇说。最终，国内局势极度恶化，直到1993年，麻省理工学院里关心她的同事在获悉她的签证即将到期时，成功地帮她争取到永久职位，使得她与丈夫和儿子能够一同留在美国。

大约同一时间，兰格宣布获得一笔资金从事“组织工程”研究，并问她是否愿意加入该项目。

兰格即将开发出一些组织工程领域最重要的实验室技术。巴德拉克的贡献依赖于信号传导剂，而兰格的主要贡献则证明了插入伤口部位材料的形状、结构和降解性也可能对其再生过程起到关键作用。他制作了某种三维模具，即可以播种再生细胞并安全置入人体的“支架”。这些支架能在合成材料被生物降解的同时指挥新生组织发育。

当武尼亚克-诺瓦科维奇自1993年开始在麻省理工学院工作时，她接手的第一个项目是制造软骨——软骨是构成鼻子和耳朵的柔韧结缔组织，可在许多关节之间找到。比起较硬、不柔韧的骨骼，以及较软、易伸展的肌肉，软骨似乎更容易再生。这种凝胶状组织由单一类型的细胞组成，其结构复杂度小得多，也没有血管，而血管对骨骼和肌肉的生存却是至关重要的。她与另一位年轻的科学家莉萨·弗里德（Lisa Freed）合作，努力寻找办法来培育这种“简单”组织。

那时候，体外培养干细胞的组织工程师们认为，他们使用的主要手段是在细胞生长成熟的过程中，为其提供比例适当的营养素、矿物质和蛋白质。他们了解到，即使他们注入模具中的营养液发生极小的变化，也会产生极大的影响。例如，额外添加一些钙元素会向干细胞发送分化成骨骼的信号。

不过，武尼亚克-诺瓦科维奇怀疑还有其他因素在起作用。她当时正在阅读很多机械生物学著作，发现许多生理系统，包括遗传学、分子学、电学和机械学系统之间存在惊人的关联，她为此很着迷。她特别指出，长期卧床的患者往往会发生骨骼和软骨退化。要维持这些组织，物理运动似乎是不可或缺的要素。她想知道，发育中的细胞有没有可能也对运动敏感呢？一种机械现象（涉及力量或者位移）究竟是如何在细胞层面上影响骨组织的呢？武尼亚克-诺瓦科维奇、她的合作者弗里德及她们的学生通过缓慢旋转生物材料支架上含有细胞集落的容器来检验这一假设，并马上获得了令人兴奋的结果。运动果真有助于细胞生长——但个中方式却是出乎意料。

“我们发现，运动会有帮助；生长因子也会有帮助，”她说，“不过如果你能以聪明的方式一起使用它们，你就会产生这种协同效应。2加2不是4，而是9。如果你交互使用它们，就会获得极大的改善。”

“结构完整性方面的改善，”她说，“超出了我们的想象。”

即便如此，武尼亚克-诺瓦科维奇和她的同事直到多年后才能完全理解其中的原理。他们将会在一种意想不到的环境——外层空间中发现这种现象。

1996年，美国国家航空航天局（NASA）的科学家决定在国际空间站（International Space Station）的实验室进行首次组织工程实验。麻省理工学院与这一太空计划有着长期的合作关系，该学院的科学家显然是优先考虑的候选人。而武尼亚克-诺瓦科维奇和弗里德开展的开创性研究仅限于精心约束和易于控制的生物反应器之中，太空这样的环境似乎很理想。

由于NASA不知道什么时候会发射生物反应器，也不知道什么时候能将实验样品带回来，为此武尼亚克-诺瓦科维奇和弗里德设计了她们所能想到的最稳当的实验。一旦提议被认可，她们就会把经过生物工程改造的软骨片装入生物反应器，加上混有氧气且每天可灌注至细胞培养物的营养溶液，将之全部装入跟小微波炉差不多尺寸的盒子里，然后再把盒子送往太空。

当这只盒子遨游太空4个半月后最终回归时，武尼亚克-诺瓦科维奇和她的同事们满心指望会看到一种表现出优异生长的细胞培养物，因为太空中没有重力作用，而重力原本会给缓慢旋转的生物反应器添加阻力。毕竟，太空环境能模仿胚胎发育的环境，使细胞可处在悬浮状态下自由浮动。

然而，武尼亚克-诺瓦科维奇和弗里德震惊地发现，结果恰恰相反。这些细胞根本没有生长好——细胞生长得更差。此时她们意识到，医院里病患逐渐康复过程中，身体组织之所以萎缩，并不是缺乏运动导致的，而是缺乏足够的力量——缺乏足够的机械负荷，一种由肌肉运动和重力共同产生、可向下推动细胞的机械负荷。

“当时的口头禅是‘太空里一切都会更好——没有重力就能运作得更好，’”武尼亚克-诺瓦科维奇说，“我们发现刚好相反。这个结果很有意思，因为它也显示了为什么宇航员会出现许多生理问题，包括大量的骨质流失和软骨损失。”

这些发现形成了一篇备受瞩目的科学论文，同时也引发了一项组织工程技术方面的重大创新，大大提高了她培育出的骨骼和软骨的质量。她研制出一种柱塞泵，可以轻轻按压在组织上，使化学药液冲刷其表面。进一步的实验研究表明，间歇性挤压的效果最好。

“我们不会整天都在跑步、走路，”武尼亚克-诺瓦科维奇解释说，“我们会走路、坐下，然后再走路、坐下。”

正如在她之前的许多生物工程师一样，包括后来就在校园对面工作并最终与她的昔日同事罗伯特·兰格共同开设生物工程学院的休·赫尔，武尼亚克-诺瓦科维奇逐渐认识到，最有效的方法就是“仿生”——复制自然条件。

“很长一段时间，整个领域都受分子因素驱使，”她说，“后来生物材料进入视野，人们认为理想的生物材料应该是惰性的，什么都不做。我们花了很多时间、精力和人力才真正弄明白，必须由生物材料来告诉细胞做什么事。因为细胞接触它、拉动它、按下它并感受它。我们开始认为，理想的生物材料的外观和功能应该更像是天然的组织基质。”

这正是巴德拉克从他的实验狗身上学到的教训。如果植入细胞外基质后，给狗的运动限制过多，其跟腱就不可能恢复。细胞基质哪怕放入了体内，也需要处于自然条件下才能发挥其魔力。

20世纪90年代，麻省理工学院博士后、在兰格实验室与武尼亚克-诺瓦科维奇共用一间办公室的劳拉·尼克拉森（Laura Niklason）也将这一教训牢记于心。尼克拉森是培育人造动脉的先驱。最初，她的主要手段是通过复制胚胎发育各个阶段周围的化学药液环境来诱导干细胞生成动脉。不过，当她尝试使用不同类型的支架来固定干细胞时，她也有了惊人的发现。

“当时的一个信念是，如果想要生成动脉，就必须有一种不会降解的强大聚合物，”她说，“因为动脉必须承受物理力量，如果动脉破裂了，会对病人不利，对吧？”

然而，当尼克拉森采取这种方法时，培育出的动脉却很薄弱，而且看起来完全不像真实的动脉。当她开始尝试使用不同降解率且不同性质的支架时，她惊奇地发现，降解最快的支架实际上能创造出最强大、也最真实的动脉。事实再一次证明，解决方案就是观察自然条件并效仿之。如果不能处于支架迅速降解后释放出的物理力量条件，动脉就会错失必不可少的关键环境，以使细胞恰当调整并校准为正常动脉的强度。

武尼亚克-诺瓦科维奇说，对干细胞发育环境的控制，远比科学家原本认识的要重要得多。

“所有这些因素，不仅是周围环境的物理特征，都向干细胞指明了它们是在身体的哪个部位，”她说，“我们需要创造出能模拟所有这些因素的人造环境，指挥干细胞在正确的地点和正确的时间形成正确的组织。”

2005年，武尼亚克-诺瓦科维奇抵达哥伦比亚大学，瞄准下一个研究前沿——心脏组织。在武尼亚克-诺瓦科维奇看来，人工培育健康的心脏组织，大概算得上是最具挑战性的科研追求了。如果动脉阻塞导致心脏病发作，心肌细胞会因为缺氧而在15—20分钟内开始死亡。与身体其他组织不同的是，心脏组织不能自行愈合。相反，身体会给死亡区域糊上瘢痕组织，留下一处没有活性且会降低泵血能力的永久性障碍物。这处疤痕不仅会导致身体其他部位变弱，还会使得心脏变薄、变大，并最终引发心脏衰竭。

武尼亚克-诺瓦科维奇解释说，如果她能够培育出可替代死细胞的组织，就可以收拾这处烂摊子，并帮助阻止心脏体积膨胀。此外，通过允许新血管生长进入该区域，人造心脏还可以引入能够取代死亡组织的再生细胞、营养物和氧气，清除阻塞并为新组织生长开辟道路。2001年的一天早晨，武尼亚克-诺瓦科维奇突然认识到这种奇迹般解决方案的可能性。现在她知道该从哪里开始。就像对待软骨一样，武尼亚克-诺瓦科维奇也师法自然，不断改良她的生物反应器，诱导心脏细胞尽快成长起来。

心脏组织最吸引人的特质在于，它是身体中第一个开始发挥功能作用的器官。实际上，当胚胎发育至3周时，心脏就开始跳动，它发出的电信号会从上至下传遍所有细胞，使细胞膜去极化并导致细胞收缩。2001年，武尼亚克-诺瓦科维奇想知道，如果将临床用心脏起搏器的电脉冲施加到心肌细胞上，会发生什么情况。这有可能成为刺激心肌细胞生长的因素吗？为了找到答案，她和当时的研究生米莉察·拉迪希奇（Milica Radisic）将老鼠的心脏细胞放置在柔软且有弹性的支架材料上，添加一种流体介质，然后开始用起搏器间歇地刺激它。

大约一个星期后的一个早晨，武尼亚克-诺瓦科维奇走进她的实验室，从起搏器中取出细胞，放在显微镜下。正当她俯身观察时，她的一个博士后走进来，“砰”的一声推开了她身后厚重的实验室大门。

“等等，”武尼亚克-诺瓦科维奇说，“你把一切都打乱了。整个系统都在震动。”

她站起身，锁上门，回到显微镜前，再次观察，发现细胞还在运动。原来细胞根本不是在震动——细胞是在独立自主地跳动。

“一周时间内，它们从一开始完全无组织且散乱的东西——一个细胞在这里、一个细胞在那里——形成了一个有组织的群体，然后开始运转。”武尼亚克-诺瓦科维奇回忆说。

实际上，人造组织看起来与天然心脏组织极其相似，这导致她一开始还以为自己把人造样品跟天然心脏组织给弄混了。于是，她重复了这一实验，并将之送给瑞士的一位同事进行独立分析。结果他无法区分两种心脏样本。

“门槛比你原先想象中的要低，”武尼亚克-诺瓦科维奇在起搏器实验后意识到，“你意识到你不需要做太多事就能让细胞按照你想要的方式行事。你所需要做的，就是给细胞提供它们习惯于在体内接收到的线索。一旦你这样做了，你就能激活细胞的基因机制，细胞就能识别出它们环境中的某些东西。”

“根据这些经常会在时间和空间上发生变化的因素组合，某些基因就会被开启，其他基因就会被关闭，”她说，“结果可能介于超级有利（即细胞进行组织再生）到非常不利（即细胞死亡）之间。”

细细想来，巴德拉克用来再生肌肉的方法与武尼亚克-诺瓦科维奇和劳拉·尼克拉森的并没有什么不同。为了指挥干细胞行动，尼克拉森和武尼亚克-诺瓦科维奇依靠的是人造“生物反应器”，从而能精心控制间歇性施加的力量，以及含有众多信号传导剂和营养素的化学药液的特性。巴德拉克只需要将这一神奇支架插入伤口部位，就能让身体替他完成任务了。

通过我们现在已有的知识，很容易看出人造生物反应器和巴德拉克的天然生物反应器中其实是有同样的因素在起作用。伊萨亚斯·埃尔南德斯下士之所以长回了大腿的肌肉，不仅仅是因为巴德拉克将生物支架插入剩余的组织中，也不仅仅是因为支架分解后释放信号传导剂并将干细胞召集至该处。肌肉之所以逐渐恢复，是因为埃尔南德斯每天都哼哧哼哧地在物理治疗之路上洒满汗水。每当埃尔南德斯让自己的体重向下拉动这些干细胞时，也同时发出了信号——这也同样是武尼亚克-诺瓦科维奇用人造生物反应器中的柱塞泵人为传达的信号，她正是通过轻轻按压组织上方的柱塞来诱导其长成骨头或软骨。

再生医学领域追求的目标之一就是人工制造出错综复杂的整个器官，而非仅仅是器官的一部分。

尼克拉森正是突破了此边界的研究者之一。拜访期间，我跟着她的一位博士后进入耶鲁大学实验室的冷藏间。他将手伸入一个架子，取下一只罐子。不同于武尼亚克-诺瓦科维奇向我展示的无定形心肌，这只容器里的漂浮物形貌确凿无疑。这是一对保存完好的鼠肺，取自一只老鼠，进行“去细胞化”后保存在容器里。

与较简单人造组织的生产者一样，尼克拉森在制造肺脏时，也依靠物理力量和化学药液来复制这种器官生存所需的天然环境，从而诱导干细胞发育成她想要的组织。不过，她在研究初期阶段就相信，科学技术尚不足以构建精细程度可与真实肺脏的形状和结构相媲美的人造支架，肺脏的复杂结构正如古希腊神话里的弥诺陶洛斯（Minotaur）的地下迷宫一般千条万道。人类吸入空气经过气管，气管是一条单一的通道，这条通道很快分成较小的分支，然后再分出更小的分支。实际上，人类肺脏气道中共有23级分支，几亿个直径200微米的肺泡囊，每个泡囊里都充满着毛细血管，毛细血管可以将氧气吸收进入血液。

“如果你试图制造出含有所有内部结构的聚合体……”尼克拉森告诉我，她一想到其挑战的艰巨程度，便压低声音，鼻头紧皱成一团，“根本没有这样的技术。不存在。就是这样。做不到。”

相反，尼克拉森是依靠自然条件来为自己所用的。她从遗体捐赠者体内取出肺脏，将之浸泡在洗涤剂和浓盐溶液的混合物中，把放入新身体内时最有可能引发免疫反应的肺脏细胞给洗掉。剩下的就是一个原始支架，其纤维材料类型与巴德拉克在肌肉再生时所使用的一致，这种结构的生物化学成分在不同的个体和物种身上都基本相同。然而，与巴德拉克不同的是，尼克拉森早期步骤中的关键是支架的复杂结构、确切形状。将支架清洗后，她便将干细胞灌注其中，并将之放置于生物反应器中，目的是复制正常的肺脏处于体内的自然条件。

“我们的肺脏充满了血液，”她解释说，“所以，我们有一种装置，以便可以灌满肺组织，同时也能让它们呼吸，因为呼吸对肺脏发育很重要。然后，我们也花了很多时间研究药液。所以，它是支架、生物反应器和药液的混合物。”

尼克拉森尚未准备好在人类患者身上检验她的肺脏组织。她指出，到目前为止，哪怕是在老鼠身上，也没有人能让这种人造肺脏植入后使其存活超过一两天。她强调，用于人类的技术必须是零瑕疵的，因为接受器官移植的病人可能还会再活很多年。她提到了基因疗法的教训，惨剧导致杰西·格尔辛格英年早逝，也几乎葬送了斯威尼的前任合作者詹姆斯·威尔逊的职业生涯。

“这就像建造布鲁克林大桥（Brooklyn Bridge），”她说，“你必须先决定它要使用多久，需要多宽，承受多少重量。它能扛得住风切变[10]和温度变化吗？它必须符合所有这些标准后，才能允许人们开车驶过大桥。否则，他们只会一头栽进东河（East River）里。”

尼克拉森的前任办公室同事武尼亚克-诺瓦科维奇也在研究肺脏再生的方法，但她采用的方法有所不同。她指出，需要肺移植的患者人数是肺部器官捐献者人数的10倍。此外，捐赠的肺脏中大约有40%因存在缺陷或运输途中遭到损坏而被排异。

武尼亚克-诺瓦科维奇和她的肺脏研究团队，并没有选择建造一颗全新的肺，而是将这些受损的肺脏置入一台她称之为“深呼吸”的加湿机器中，这台机器可将含氧血液（或含有营养素和氧气的血液替代品）灌注到肺脏器官中，从而模拟出真实世界里的呼吸条件。然后，她和她的团队找到受损区域，添加来自患者本人体内的干细胞，并利用它们来再生肺组织的各个泡囊，从而在整个肺脏器官中构建起健康组织的中心。他们认为，只要播撒一些新的干细胞集落就能改善肺脏功能，使之不再因为功能达不到移植标准而被排异，并且很可能拯救他人的生命。

“我们找出最糟糕的区域再设法修复，而不是全部移除再重新填补一切，”武尼亚克-诺瓦科维奇说，“外科医生告诉我们，大多数情况下，只要我们能够将肺功能改善10%、15%或20%，我们或许就能达到移植的标准，身体就可以完成剩下的工作，而不用从零开始。”

到2007年，巴德拉克的出版物清单越来越长，在蓬勃发展的再生医学领域引起了轰动，他的专业声望也蒸蒸日上。不过，对外行人来说，这位研究人员依然鲜为人知。直到那一年，一连串的古怪事件才使得他成为公众视野的焦点。

若干年前，巴德拉克在亚特兰大的整形外科会议上遇到一位名为艾伦·斯皮瓦克（Alan Spievack）来自波士顿的外科医生，这位医生在听完巴德拉克的细胞外基质讲座后走近了他。早在20世纪50年代，斯皮瓦克还是俄亥俄州凯尼恩学院（Kenyon College）的本科生时，他就对蝾螈进行了截肢手术，并研究了蝾螈四肢再生的方式。之后他做了很长时间的外科医生，职业生涯很成功。不过，巴德拉克的演讲重新激起了斯皮瓦克对组织再生的兴趣，斯皮瓦克说服巴德拉克陪他喝了一杯咖啡。不久之后，斯皮瓦克拜访了巴德拉克的实验室，并且也加入了自行开展细胞外基质研究的日渐壮大的研究人员队伍中。

到了2007年，斯皮瓦克与巴德拉克合作撰写了多篇论文，他甚至还创办了一家名为ACell的公司，推销自己的特殊粉末配方。因此，这一年的一个下午，时年73岁的艾伦·斯皮瓦克接到弟弟李·斯皮瓦克的电话并寻求医疗建议时，他恰好知道应该怎么做了。

李是一名如同钉子般坚韧的越战老兵，一辈子都在制作模型，退休后在一家爱好者商店找到了一份工作。那天，他帮一位顾客修理了一架大型模型飞机，他们在商议时飞机就在一旁空转，结果他用食指指向飞机时，因距离螺旋桨叶片太近了，螺旋桨将李的食指距指尖约半英寸处齐齐削断。等到李打电话给艾伦时，已经止住了出血，但怎么也找不到切断的指尖，李后来去了医院，甚至预约了下周一去看手部外科医生。

李的手部外科医生想要从他的大腿上取下一块皮肤，缝在他的断指末端。但艾伦有个更好的主意。他让弟弟取消预约。

“他们非常不满，”李回忆道，“医院接待员说：‘你会感染的！你会遇到各种各样的问题。你很可能会失去你的整只手！’”

艾伦告诉李，他会给李送一瓶细胞外基质粉末，并指示他如何将其施用在断指上。奇迹般地，手指在几周时间内就长回来了。

“这块指甲似乎比我身体的其他部位长得快，因为这块指甲大约4岁半，其他部位则已经72岁了，”李在不久之前告诉我，并解释说他注意到剪食指指甲比其他手指更为频繁，“这根手指末端很硬，但我对它有感觉，完全可以活动。”

李用一种他称之为“精灵尘”的神秘粉末使指尖再生了，并用生动的图片演示其再生过程来加以证明。此消息传出后，引发了媒体疯狂热炒。故事和照片点燃了世界各地截肢患者的想象力，其中就包括伊萨亚斯·埃尔南德斯下士。多年后，巴德拉克每天仍会收到好几封电子邮件来咨询“精灵尘”（艾伦·斯皮瓦克未能享受太多荣光；他在2008年5月就因癌症去世了）。看来，巴德拉克的再生研究终于彻底走向了主流。

李·斯皮瓦克的故事提出了一个引人入胜的问题。迄今为止，研究人员已经证明他们可以再生肌肉、皮肤、肌腱，甚至器官。但是，能不能再生由多个组织构成的更复杂的身体部位呢？比如说，有没有可能有朝一日让休·赫尔的断肢重新长出来呢？

巴德拉克和武尼亚克-诺瓦科维奇两人都在独立探寻这一问题的回答。他们通过与一位业界新秀合作，分别在不同场合找到了答案。此人便是塔夫茨大学（Tufts University）生物医学工程系主任戴维·卡普兰（David Kaplan）。卡普兰一直在研究一种由硅、橡胶和蚕丝等材料制成的防水套筒。这种被他称为“生物圆顶”的装置，可以直接放置在截肢部位，使他的团队能够控制条件，从而使伤口愈合，并最终达到他们希望的彻底再生。

卡普兰和他的合作者以老鼠和成年青蛙等趾部截肢后通常不会再生的动物为研究对象，使用这种套筒营造出类似胚胎周围的生命维持环境，即受保护且富含营养的液体环境。除了别的物质，卡普兰还添加了巴德拉克实验室分离出的肽以抑制炎症和瘢痕反应，他完善了周密控制湿度的方法以防止伤口干涸和死亡，研发了可控制外部压力的新型凝胶，并实验了许多其他的外部线索以期诱导趾部全面再生。

不过，卡普兰为他的“生物圆顶”添加的最强大的潜在转化因素，恐怕不是来自巴德拉克或武尼亚克-诺瓦科维奇的实验室，而是来自一位满怀热情的生物学家迈克尔·莱文（Michael Levin），他是塔夫茨大学再生和发育生物学中心的主管。莱文认为，培育新的手、腿甚至头部所需要的最重要的信号，皆编码于每个细胞膜上存在的电压之中。

莱文利用基因工程学和药理学来控制细胞外表面某种特殊蛋白（称为离子通道）的活性。当这种中空的额外蛋白质存在时，更多带正电荷或负电荷的离子就可以涌入或涌出细胞内部。这会导致细胞边界上的电位差发生改变。莱文认为，通过身体改变细胞电位之间的自然差异会造成极大的后果，因为会开启或关闭关键的基因，这不仅关系到带有这种额外受体的细胞内的基因，还会关系到对周围一切细胞发出电信号都极为敏感的大量邻近细胞内的基因。

这不仅限于理论。莱文的实验室正是利用这些方法，诱导一只青蛙长出6条腿，蠕虫长出2个头，并把蝌蚪的部分肠道变成了一只眼睛。他激发了通常不会长回的断尾连同脊髓完全再生，并能将肿瘤重新编程为正常的组织。莱文相信，未来有一天，他的技术可能成为人类肢体再生的关键。

莱文认为，电信号是身体用来控制大型细胞集合体如何在不同地方共同形成不同形状、不同大小的器官和身体部位的通用信号之一。莱文希望通过解码和调整这些电信号，最终控制这一过程。

莱文和卡普兰利用这一技术，以及“生物圆顶”来改变截肢部位的电信号，近期证明了他们可以诱导成年蛙开始重新长出断肢的一部分，连同骨骼和其他组织。

“再生肢体的生物工程方法就是事无巨细地管理这一过程——‘我会制造出一大堆不同类型的细胞，再把它们一一安排在制作功能性附器所需的模型里头，’”莱文说，“但是对肢体来说，这样做永远不会奏效。这种办法太复杂了。我们要做的事情是理解天然情境下的细胞，它们如何决定自己应该变成什么样的形状、它们如何变成这种形状，又是如何知道何时该停止的？”

卡普兰和莱文如今正在试图让实验鼠的肢体再生，老鼠的肢体再生比青蛙的挑战更大，因为老鼠是温血动物。温血动物的血压要高得多，如果截肢伤口没能马上结痂，就会面临大出血的风险。温血动物的新陈代谢也更快，因而更容易快速死于感染。因此，身体的自然反应是发起一场大型的炎症攻击，而这也必须予以遏制才行。所有这些因素都让卡普兰的“生物圆顶”（现在已是第五次迭代更新）变得至关重要。

“如果有人说他们能靠自己的力量飞到月球上去，那么你可以说‘那是不可能的’，”莱文告诉我，“‘没有这样的先例。’对吧？但没有人会说肢体再生是不可能的，因为有些动物可以做得到。就是这么回事。这显然是可能的，因为我们看到蝾螈就做到了。”

一种折中的方法可能是让细胞先行一步，而不是试图在伤口部位诱导全面再生。在另一项研究中，卡普兰、莱文与武尼亚克-诺瓦科维奇合作创造了一种“逻辑模板”，用来指导干细胞生长成不同类型的组织。

“这就像乐高（Lego）：你把各个部分组合起来，然后每个部分都有自己的生物同一性，”武尼亚克-诺瓦科维奇解释说，“它必须具有形状、内部结构、组成，以及机制。你可以使用3D打印机，也可以使用不含原始细胞的无菌支架，你可以将支架加工成需要的形状。”

武尼亚克-诺瓦科维奇已经证明，她可以用多种组织类型来再生身体的成分。她指出，假如这项技术能提早几年开发出来，已故的电影评论家罗杰·埃伯特（Roger Ebert）或许可从中受益。（埃伯特罹患癌症后大部分下颚被摘除。）她还表示，如果在埃伯特手术之前能拍出完整下颚的图像，或者哪怕是另一侧的下颚的图像，她就可以在计算机上制作出三维镜像。然后她可以利用此三维镜像制作出形成多组织支架所需的不同材料的积木块，分别加工成骨骼和软骨，然后组合起来，像乐高积木一样将之装配到下颚的空洞之处。

“现在这已经可以实现了，”武尼亚克-诺瓦科维奇说，“我们已经完成了大动物模式的临床前研究，我们获得了很棒的数据，所以我们开了一家公司，在朝临床实验迈进。”

制造出一只全新的手依然是“大目标之一”。

“这是一个非常大的奋斗目标，但我认为这是可行的，”莱文说，“最后一定会实现的。”

2014年一个温暖的春日，我飞往佛罗里达州德尔雷比奇市，前往创伤医生欧金尼奥·罗德里格斯（Eugenio Rodriguez）的办公室，他近年来的医学功绩让他占据了当地新闻和报纸的头条位置。罗德里格斯并没有一直坐等巴德拉克应用这些新技术的实验结果。

2011年，罗德里格斯的病人发给他一篇主流杂志上刊载的关于巴德拉克手术的文章，并要求这位医生在他身上试试看这种技术。当我第一次致电时罗德里格斯告诉我，从那以后，毫不夸张地说，他用了“几百次”这种技术。

当我从机场驾车前往罗德里格斯的办公室并一路欣赏风景时，我觉得这位医生的诊所真是选对了地方，这里非常适合寻找患者进行人体再生的自然实验。这是阳光炫目的一天，我附近便是佛罗里达的海滩。当我在距离目的地几个街区的停车灯处停下车，朝左侧看去时，注意到旁边的车子尾部拖着一台带轮子的金属架子，是通常用来运载水上摩托艇的那种架子。不过，这位驾驶员并没有水上摩托艇，而是将一辆装有马达的四轮老年实用摩托车绑在了车背上，钢丝笼上挂着一部闪闪发亮的金属步行器。

我意识到，我路上经过的许多汽车都是美国制造的宽敞的厢式轿车，驾驶员都是80来岁伛偻着腰的老年人。

罗德里格斯在阅读了他的病人推荐的那篇文章后，联系了艾伦·斯皮瓦克的旧公司ACell（如今巴德拉克在ACell担任首席科学官），并订购了一些细胞外基质。

当我到达罗德里格斯的办公室时，他领我穿过一条长长的走廊，走进一间检查室。坐在医生座椅上的是扬西·莫拉莱斯（Yancy Morales），21岁，娃娃脸，留着小胡子，身穿松松垮垮的红色短裤和迈阿密热火队（Miami Heat）球衣。莫拉莱斯与我握手后，径直伸出他的右腿，示意我注意他右腿膝盖上方内侧的一道骇人的疤痕，足足有几英寸长。然后，他指着大腿中央疤痕尾部上方的一个点，告诉我说，这个点是一名医生用毡头笔画下来的，原本打算在此处截肢。

莫拉莱斯几天前发生了车祸，他的腿裂开了，“骨头伸了出来”。经过多次手术后，医生安排一名护士通知莫拉莱斯，他们没有办法挽救他的腿。

“我一直在想象没有右腿以后自己的模样，”扬西说，“我脑子里始终是这种念头，因为我的腿要没了，你知道吗？我没有说谎，我真的哭了。”

其中一位护士从当地新闻中见过罗德里格斯。所以护士们找到这位医生。罗德里格斯给莫拉莱斯做了检查，并告诉他，能挽救这条腿。

罗德里格斯用细胞外基质培养出扬西腿部某些失去的组织后，从扬西的大腿上取下皮肤，移植到伤口中，以填充孔洞的部分。从那以后，扬西一直在不遗余力地修复它，不停地用新组织填满它，好让它重新长回来。扬西说，如果他太用力，腿还是会疼，也会肿起来，不过他毫无疑问地向罗德里格斯表达了感激之情。

“罗德里格斯救了我的腿！”他说，“他们本来要截掉我的腿！”

在我和扬西交谈之后，罗德里格斯带我进入了另一间检查室。坐在一把椅子上的是来自委内瑞拉首都加拉加斯市的35岁家庭主妇梅塞德丝·索托（Mercedes Soto），周围是她的家庭成员，她在迈阿密已经有了第二个家。2013年，索托在怀孕22周后来到佛罗里达，打算在美国生孩子。2周后，索托经受了感染、流产和大出血，并发生感染性休克。

迈阿密的医生们诱导她进入昏迷状态，并利用机器将血液泵送至她全身主要器官，帮助她活了下来。然而，她手脚的血液流通严重受限。当她终于醒来时，她的脚和部分手指已经变黑，长有坏疽。血管外科医生告诉索托，她打算从脚踝处截去整只脚。不过，索托在迈阿密的邻居恰巧在德尔雷比奇市担任护士，她把罗德里格斯的故事告诉了索托。

索托坐在医生座椅上，拿她的苹果手机给我看她的脚原本的样子。脚趾的顶部和脚的前部全是炭黑色。底部发肿，表面看起来像是深绿色的坏疽气泡。现在，这只脚已恢复了正常，但脚趾没来得及救回来。如今，索托这只脚的前部是矩形楔体的形状，红色和黄色的皮肤用钉子固定在一起。罗德里格斯一直试图使用细胞外基质让其脚趾长出来，但到目前为止，结果并不能如他所愿。不过，细胞外基质的确成功地让索托被罗德里格斯截去的手指长了一点回来。

“食指长回来得非常明显；指甲之类的都长回来了，”他说，“脚趾不尽如人意。那里受损得更严重。但至少我们不用把脚给截掉。”

从我外行人的角度来看，索托的脚趾看起来像是塞进了绞肉机一般，趾头几乎完全被切断了。但是当索托示意我，医生原本告诉她打算截肢的部位时，奇迹就很明显了——她指着的是她的脚踝底部。

我曾经花了那么长时间与休·赫尔交谈，回想他与杰夫·巴策尔一道进入新罕布什尔州白雪皑皑荒野中的惨痛徒步事故，很容易想象，莫拉莱斯和索托与我分享的故事还有另一种结局。意外发生多年后，杰夫·巴策尔和休·赫尔二人重新向我描述起他们刚刚失去肢体时的日子，那种鲜活感始终萦绕于怀。每当佛罗里达诊所里的一名病人回忆起当初一位神情肃穆的医生或护士大步走到病床前，通知他们必须截肢时不寒而栗的那一刻，我总会涌起强烈的似曾相识感。当他们宣布这样的消息时，时间仿佛都凝固了。

然而，那天我遇到的莫拉莱斯和其他病人的故事却又是截然不同的。如果再生医学技术继续快速发展，未来众多事故受害者的生活也将会是何等不一样。当然，目前仍处于再生医学发展的早期阶段。但很明显，身体具有非凡的自愈能力，我们才刚刚开始发现和理解，这也引发了更多的问题。

如果我们能够通过现代科学和工程学，学习制造新的腿，重新编程并改变天然腿的特征，甚至长出新的腿，那我们还能够创造什么呢？在我们体内别的领域，还存在什么其他尚未开发的再生、复原和超越的力量吗？

对于其他某些方面受限的人，我们可以做些什么——比如说，对于那些运动不成问题，但无法感知周围世界的人，我们还可以做些什么呢？

* * *

[1] 1英里≈1609.35米。——编者注

[2] 1英寸=2.54厘米。——编者注

[3] 1英尺=30.48米。——编者注

[4] 1华氏度≈-17.22摄氏度

[5] 1英亩≈4046.86平方米。——编者注

[6] 1磅≈453.59克。——编者注

[7] 利立普特人：出自小说《格列佛游记》，指小矮人。

[8] 一种重症联合免疫缺陷病。——译者注

[9] 1码≈91.44厘米。——编者注

[10] 风切变：风向、风速在空中水平和（或）垂直距离上的变化。——译者注

第三章 撒精灵尘的男人

第三章撒精灵尘的男人