您所在的位置:首页 > 新闻中心 > 科学家首次培育出人体声带,人声带组织在实验室培养成功
公司要闻
科学家首次培育出人体声带,人声带组织在实验室培养成功
发布时间:2020-03-26 06:55
访问量:359

近些年,在实验室中人工培育器官的设想已经逐步走进了现实,而现在,“人造器官”大家庭中又要增添一个新成员了。威斯康星大学内森·韦勒姆(Nathan Welham)带领的研究团队第一次成功地在实验室中培育出了“人造声带”,这一成果近日发表在《科学•转化医学》(Science Translational Medicine)期刊上\[1\]

图片 1

作者:张梦然 来源:科技日报 发布时间:2019/9/25 9:05:10 选择字号:小 中 大 人声带组织在实验室培养成功 有望让患者重新发声

图片 2

声带是喉部两片薄薄的膜状结构,它们看起来并不起眼,但有了它们的振动,人才能发出声音。由于疾病和手术的原因,不少患者的声带受损,失去了原本的功能,而“人造声带”的出现会给他们带来新的治疗选择。

科学家首次培育出人体声带 有望为声带受损患者找回声音

据英国《自然通讯》杂志24日发表的一项医学研究,美国团队在实验室培养出人声带组织的三维模型。该模型可用于对声带疾病或损害的相关药物和疗法研究。

声音是健康标杆

这些实验室中的人造声带是利用两种细胞培养而成的:构成主体部分的结缔组织成纤维细胞,以及覆盖表面的上皮细胞。这些细胞都来自人类的声带组织,研究者们从一具遗体和四位患者切除的声带中获取了它们。

科学家日前第一次利用人体声带细胞培育出声带组织。当在实验室进行测试时,这一生物工程组织的振动乃至听起来都类似于天然声带。研究人员希望新技术的发展有一天能帮助那些声带严重损坏的人重新找回失去的声音。

声带的振动功能要求它必须足够灵活,每秒振动上百次的特点又要求它足够坚韧,因此人的声带是一种很精致的系统,一直以来极难被复制。但声带却容易受到慢性炎症的影响,主要由环境损伤导致包括香烟、过敏原或感染。由于从健康声带中提取细胞样本会导致不可逆的损伤,科学家对声带疾病和修复策略的研究长期以来存在困难。

声音主要包括音质、音色、音调、响度及音长等几部分的特征,受年龄、性别及环境的影响。声音的各种特性反映了一个人的情绪、心情及身体各系统的功能及之间的平衡情况,即身心的健康状态。生活中,重视自己声音的变化、重视他人对你的声音评价,也是关注自己健康状态的一个方式。

得到了合适的细胞,研究者们又将它们“种”到了作为基质的3维胶原骨架上,并在模拟体内环境的条件下进行培养。经过2周时间,这些细胞逐渐形成了与天然声带相似的模样。

并未参与该项研究的美国加利福尼亚大学洛杉矶分校头颈外科医生Jennifer Long表示:这是一项令人兴奋的成果,因为可供这些患者选择的治疗方法非常少。

此次,美国威斯康星大学麦迪逊分校科学家苏珊赛宝特及其同事,在他们之前小鼠研究的基础上,从人诱导多能干细胞中提取了声带上皮细胞。研究表明,hiPSC源性声带组织在遗传学和形态上都与天然人声带黏膜类似。

音质是经喉部调节及声带的振动产生的声音的特性。

接下来,研究者们对人造声带进行了初步测试。他们取得了狗的离体喉部,然后将其中一侧的声带替换成了实验室里培育的“人工版”,然后用塑料“气管”对着它吹起,并观察了人造声带在气流下的表现。结果显示,这些植入的人造声带无论振动情况还是发出的声音都与“原装品”十分相似。

人类通过位于喉部的声带发声。声带的振动功能要求它要足够灵活,每秒振动上百次的特点又要求它足够坚韧,因此人的声带是一种精致系统,很难复制。

当暴露在烟雾中时,该组织会表现出在人喉中发现的反应,即炎症。研究团队随后将该组织在5%的香烟烟雾提取物中暴露了一周的时间,观察是否会诱导出与烟雾相关的黏膜炎症。结果显示,烟雾会导致黏膜炎症以及细胞类型的异常重塑,影响上皮屏障结构。

音色是指声音的个性,由共鸣腔调节产生。

图片 3人造声带(左)与天然声带(右)在气流下的振动对比。原视频来自:wochit News

专家估计,仅在美国便有约2000万人患有暂时或永久性声带损伤。而那些永久性损伤通常是由于多次手术或放疗切除癌组织和癌旁增生所致,这些损伤形成了结疤和硬化的声带黏膜,能够导致完全失声。

研究人员表示,声带是人类发音的基础,也是分隔声道和食物饮料进入消化通道的关键分界,并能防止异物进入呼吸道。但此前未有能模仿真正声带组织的技术出现,现在的模拟声带组织,不但是一种很有前景的候选方案,也有望让那些因手术或损伤失去声带的患者重新发声。

音调,指声音的高低,与声带振动的频率有关,受年龄和性别的影响大。

研究者表示,虽然直接用捐献者的声带为失去声音的患者们进行治疗也是一条可行的道路,但他们的人造声带还有更多优势。这些在实验室里成长的声带可以为男女老幼定制不同的尺寸,而且它们的“产量”也很高——这一次,研究者们利用来自五份供体样本的细胞就培养出了将近170条不同尺寸的声带。

这项研究的合著者、麦迪逊市威斯康星大学医学与公共卫生学院外科副教授Nathan Welham表示:我不能过分强调严重的声音问题能对一个人的生活产生多么消极的影响。他说:如果你真的有一副奇怪的嗓子,那么你一开口便能吸引别人的注意。一些方法如注射胶原蛋白能够增加声带的体积,从而帮助声带受损患者更好地发声。但有一些声带依然无法恢复振动能力。Welham说:这并不是一个真正修复声带的方法。

总编辑圈点

响度,是声音强度的体现。一般情况下,胸部发音声音越高,音强越高,即音强与频率成正比。但发假声时,虽然频率增高,但音强下降。

这是一个很好的开始,不过,现在谈临床应用还显得为时过早。毕竟,这些人造声带还只在离体条件下进行了测试,要想验证它们的效果,后续的动物实验和临床研究都必不可少。(编辑:窗敲雨)

在这项新研究中,Welham等人以生物工程方法用健康声带细胞来制造声带组织。这些健康声带细胞包括成纤维细胞和上皮细胞,来自于因不相关原因实施喉部手术的患者,或从声带正常的尸体中获取。

声带是最能展现人的思想与内在的器官,它虽然小,却极其不寻常绝大多数动物,包括除了人以外的其他灵长类动物,都不具备人类控制声带发出复杂声音的本领。因喉部疾病而损坏或摘除声带的患者,都遗憾地丧失人生一项基本体验。好在干细胞疗法提供了希望,或许结构相对简单的声带组织将会是干细胞再生医学成功的首选平台。

音长,临床上常用最长发音时间来推测被检者喉部的调节功能及发音的持续能力。受全身的身体状况、年龄、体型、肺活量以及呼吸方法等多种因素的影响。

文章题图:shutterstock 友情提供

研究人员对这些健康声带细胞进行提纯,然后放在三维胶原支架上培养。两周后,这些细胞聚在一起形成了柔软但连接坚韧的声带组织,其外表是分层的表皮细胞。该组织的结构组成及弹性等物理特征都与自然声带组织非常类似。

当以上这些声音特征超出人们所认同的正常范围,则称之为“病态嗓音”。此时人们就应就诊于耳鼻咽喉科门诊,积极查找原发疾病。由于前三个特征较复杂,下文会着重介绍。

参考资料:

狗与人的喉部在解剖学上相似,当上述组织被植入从狗体内切下的喉咙时,它能因气流而振动并发出与自然声带组织非常相像的声音。

粗糙嘶哑

为了解该组织是否会被人体排斥,研究人员又利用拥有人类免疫系统的小鼠做实验。结果显示它可被良好地耐受,能持续长达3个月。研究人员在11月18日出版的《科学转化医学》杂志上报告了这一研究成果。

声带息肉

直接从捐赠者向患者移植整个声带也能够奏效,但研究人员表示他们的这项新技术拥有几个优势。例如,该声带组织可以生长成一个孩子或一个成人的大小,并且它也可以提前生长,进而储存为以后使用。同时研究人员表示,这种技术还具有规模化成产的能力。在这项研究中,他们利用来自5个声带的细胞生成了近170个不同大小的声带。

临床上,常见的异常音质主要包括以下几类:

Welham强调,这项研究目前还只处于原理性证明阶段,临床应用还需数年时间,今后需要进行更多安全性以及长期功能的测试。

粗糙声:由于声带水肿或声带局部新生物的出现,导致声带不规则振动所出现的杂音,常见于声带炎、声带息肉以及声带其他新生物的疾病。

并未参与该项研究的宾夕法尼亚州费城德莱克赛尔大学医学院耳鼻喉科主任Robert Sataloff指出,这项研究只是一个值得称道的开始,距离用一个新的、从本质上说功能正常的声带代替患者伤痕累累的声带仍有很长的路要走。接下来的一个重要步骤便是用生物工程组织替代活体动物模型的声带,并使其能够存活和运转。随后还要在人体声带临床试验中完成相同的工作。Sataloff表示:所有这些事情都是说着容易做起来难。据悉,现有的有限治疗方案包括注射人工合成的生物材料或将口腔黏膜植入喉部,但它们都无法完全模仿真正的声带组织

气息声:发音时大量气流通过声门间隙形成,常见于声带麻痹、声带萎缩以及先天性等因素导致的声门闭合不全。其中声带麻痹常见于甲状腺、甲状旁腺等颈胸部手术治疗后,老年人常常会出现声带萎缩的情况。

嘶哑声:是气息声和粗糙声的结合,使喉音失去了圆润清亮的音质,例如巨大的单侧声带息肉,除了由于声带上长了东西导致声带振动异常产生的粗糙声,还包含由于单侧声带息肉过大而导致的声门闭合不全产生的气息声。

发音过弱肺功能

临床常见的音色异常情况主要分为器质性发声障碍和功能性发声障碍两类。

功能性发声障碍临床多见,主要由于声带和声道的任何部分在发声活动中应用不当或过度应用所致。其中功能过强性发音障碍常见于职业用声者(例如教师、歌唱演员、主持人等)、性格急躁者、大量吸烟饮酒者等,主要由于嗓音的滥用或误用导致,可伴有发音的动力器官、振动器官、共鸣器官的过度用力,失去了发音的正常放松姿势,可伴有头颈部的紧张、姿态的僵硬等。功能过弱性发音障碍的原发病多见于老年体弱、肺功能减弱、身体消瘦者及性格内向者,而继发性常见于长期过度用力发声后导致的喉肌肌张力下降。器质性发声障碍主要见于声带小结、喉返神经损伤等疾病。

发音异常的矫正包括手术治疗和非手术治疗,需要在医生的指导下进行。其中非手术治疗中的嗓音矫治逐渐被大众所认可,常见的有呼吸样发声疗法、共鸣发声疗法、哈欠—叹息发声法等多种形式的发声矫治方式。

男声女调激素异常

日常生活中,一般女性和幼儿的音调高,男性的音调低。如果两者颠倒也要警惕。

男性青春期变声障碍就是由于性激素分泌不足或精神因素等的影响导致变声期音调不降,带着童声进入成年期,即为常说的“男声女调”。对于不伴有激素分泌异常的患者,治疗应用发音矫治训练的方法,通过大脑皮质建立新的条件反射和正确的发音方式;而伴有激素分泌异常的患者,需合并应用相关激素的替代治疗。

长期应用抑制排卵药物避孕,或应用雄性激素治疗一些妇科病的女性,由于性激素的异常可导致音调的变低、音域的变窄甚至出现声音的嘶哑,一般停药后数月可恢复,但是个别病例恢复时间较长甚至无法恢复。