器官工程的神经中枢

为什么为器官接入“布线”很重要

科学家们正越来越接近在实验室制造替代器官，以应对供体心脏、肝脏、肾脏等严重短缺的问题。但大多数人工器官都集中在血管系统上，而忽视了另一个关键成分：神经。本文综述解释了为何身体的电信号“布线”对器官的生长、日常功能以及愈合至关重要，以及研究者如何将神经网络编织进实验室培养的器官中。

身体的隐秘控制网络

每个主要器官都布满了与大脑和脊髓持续交流的神经纤维。通过自主神经系统——即“战斗或逃跑”和“休息与消化”两条分支——这些神经悄然调节血糖、消化、免疫反应、血流等。它们通过释放乙酰胆碱、去甲肾上腺素等化学信号，并感知牵张、温度或营养等变化来实现这一点。除了日常控制，神经还参与胎前器官形态的塑造、引导伤口愈合，并支持修复组织的干细胞。在许多位置，神经与血管并行生长，利用相似的引导线索，因此“布线”和“管道”是一起发育的。

为什么移植器官可以在没有神经的情况下工作——但实验室制造的器官做不到

传统器官移植通常是在没有原有神经的情况下植入的。被移植的肝脏或肾脏仍能工作，因为它们通过血液接受激素和其他信号，且随着时间推移，受体体内的新神经纤维可以生长进来。对于从零构建的工程化器官而言，这种“缓冲期”并不存在。这些构建体通常缺乏天然器官中的完整成熟细胞类型组合和复杂的支持基质。对于胰腺、肝脏、唾液腺和脾脏等内部包含许多专门化细胞的器官来说，精确的神经连接尤为重要。作者指出，对于自下而上的器官工程——即从小构件组装器官——应将预先规划的神经支配视为设计要求，而不是可选的附加项。

神经如何塑造四个关键器官

综述详细探讨了神经如何影响四个示例器官。在胰腺中，交感和副交感纤维在发育期间帮助塑造产胰岛素的胰岛结构，成熟后在血糖升降时细致调节胰岛素和胰高血糖素的分泌。在唾液腺中，早期的副交感输入维持上皮干细胞存活并引导最终分泌唾液的分支状导管的形成；在错误时机切断这些神经会扰乱腺体的正常形成。肝脏的神经感知血液中的盐、水、糖和脂肪水平，并调节代谢、血压以及受伤后的再生。脾脏中的交感纤维直接与免疫细胞对话，抑制或增强炎症，帮助机体应对感染和应激。在这些器官中，神经的丧失或错误连线与糖尿病、消化问题、肝病和免疫受损等疾病相关联。

构建带有内置“布线”的器官

为生物工程器官引入神经支配，科学家们正在结合先进的3D打印、巧妙的支架设计和来源于干细胞的神经细胞。挤出式和光固化生物打印可以将不同细胞类型和材料放置在精确的模式中，而专用的水凝胶和聚合物则被调配以支持长而分支的神经纤维。已有研究创建了打印的神经网络、神经-肌肉单元和显示真实电活动的微型类脑组织。作者概述了对胰腺、唾液腺、肝脏和脾脏的有神经支配版本的实用蓝图：分离或来源化关键器官细胞，将它们与自主神经元（交感和副交感）混入兼容的生物墨水中，打印成器官形状结构，并在生物反应器中成熟，使神经在植入前得以向组织延伸。

如何测量“布线”是否有效

检验神经是否真正整合并功能性是一项重大挑战。在实验室里，研究者会对神经特异性蛋白进行染色、通过生化检测测量神经递质，并使用活体成像观察轴突生长和细胞反应。微流控“器官芯片”平台有助于模拟真实的血流和神经–器官信号传递。在动物实验中，最终在患者身上，可通过结合组织染色、神经示踪剂以及现代成像方法（如磁共振成像、CT 和 PET 扫描）并使用标记交感或副交感纤维的专用放射性示踪化合物来追踪神经支配情况。

从概念走向疗法

文章的结论是，神经不是奢侈的附加功能，而是真正功能性人工器官的核心要件。要将有前景的实验室演示转化为真实疗法，未来工作必须改进大规模打印复杂神经网络的能力、完善细胞来源（尤其是人类干细胞来源的自主神经元），并开发用于监测植入后神经整合的实用临床成像工具。如果这些障碍得到克服，下一代工程器官不仅可以替代失去的组织，还能无缝接入机体自身的控制回路，为糖尿病、肝衰竭、口干症、免疫缺陷等疾病提供更可靠、更接近自然的治疗方案。

引用: Das, S., Gordián-Vélez, W.J., Dave, J.R. et al. The nerve center of organ engineering. Nat Commun 16, 9834 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64801-4

关键词: 器官工程, 神经支配, 生物制造, 3D 生物打印, 自主神经系统