三言兩語說透設計模式的藝術-簡單工廠模式
一、寫在前面工廠模式是最常見的一種創建型設計模式，通常說的工廠模式指的是工廠方法模式，是使用頻率最高的工廠模式。簡單工廠模式又稱為靜態工廠方法模式，不屬于GoF 23種設計
在影視劇中，我們經常會看到主人公需要進行器官移植的情節，這些劇情其實離我們并不遙遠。
每年因為終末期器官衰竭，等待器官移植的患者大約有30萬，但每年器官移植的數量僅僅只有2萬例左右。
如果我們能夠像生產汽車配件一樣，生產足夠多合適的器官，也許就可以拯救無數需要醫治的患者，甚至可以實現“長生不老”。
2023年9月，我國科學家在國際學術期刊《細胞-干細胞》發表了封面論文，他們在豬體內成功培育出了人源化的中期腎臟，這是世界范圍內首次報告人源化功能器官異種體內培育案例。
圖源：《細胞-干細胞》當期期刊封面
如何從一個細胞到一個器官？
一顆種子通過培育可以形成參天大樹，而發育成人的“種子”叫做受精卵。
受精卵是精子和卵子通過受精作用形成的一個全能性細胞，所謂全能性是因為這個細胞可以通過細胞增殖和分化，生成40~60萬億個遺傳物質相同但功能相同或各異的細胞。
其中，相同類型的細胞聚集在一起就形成了具有一定結構和功能的組織，比如我們的肌肉組織是由肌肉細胞聚集形成的。
不同功能組織的有機結合并生長發育才會形成具有一定形態和功能的器官，比如心臟是由心肌組織、心內膜組織和心包組織等共同組成的。
雖然器官的形成在胚胎和胎兒時期就已經完成，成年人的大多數器官不再進行大規模的再生和重建，但是身體內保留了一些干細胞用于受損器官的修復。
比如，我們的血細胞由骨髓造血干細胞分裂分化而來，這也是骨髓移植能治療白血病的根源。皮膚受傷會由皮膚基底層干細胞分化補充，這也是傷口愈合的關鍵。
從原理上講，我們可以通過獲取干細胞在體外培育出器官，但是器官不是細胞的物理疊加，它需要精密的生理調控。
體外培養器官是怎么實現的？
洞悉器官的發育調控機制是體外培養器官的前提。在無數科學家的努力下，我們對器官的發育調控機制有了初步的認識，像皮膚這樣結構相對簡單的器官也得以在體外培養。
2022年，上海長海醫院燒傷外科在國內首次開展“自體表皮細胞移植技術”修復大面積燒傷創面手術并取得了成功。
手術團隊首先切取了患者5平方厘米的正常皮膚，然后將它放在細胞培養基質中培養。
在生長調節因子的作用下，自體表皮細胞2周內擴增到原有數量的4000余倍，最終將形成的自體表皮細胞膜片移植給患者。
常規患者 2~3 個月才能初步康復的時間縮短到了一個月，而且皮膚受損修復率高達 100%，患者能夠正常下床走路。
對于比皮膚復雜的器官，科學家借助生物醫用材料完成了肌肉、骨骼和卵巢等器官的體外或者體內培養
。以骨組織再生為例，科學家首先利用生物醫用材料搭建出一個細胞支架，這種細胞支架限定了干細胞生存的三維空間。
然后，將分離的自體成骨細胞、骨髓基質干細胞和軟骨細胞等干細胞附著在細胞支架上培養，在調節因子的刺激和營養物質的作用下，這些干細胞在預制形態的三維支架上生長，從而形成用于移植的成骨。
基于豆腐的水凝膠支架用于骨組織再生修復示意圖。圖源：參考文獻[4][5]
對于更為復雜的器官，雖然科學家們已經成功在實驗室培育出了迷你心臟和迷你大腦，但是由于對器官的發育機制還沒有透徹的研究，尚不能在實驗室完全培育出一個體積合適、功能齊全以用于移植的人類器官。
因此，異種器官移植和利用其他物種培育人類器官成為了科學家研究的重點之一。但是，異種器官移植或者培養存在嚴重的安全問題，其中最首要的就是免疫排斥。
免疫系統是我們身體的保衛部門，它的功能是識別“自己”和“非己”，對身體的器官等“自己”成分進行保護，對病毒、細菌和異種器官等“非己”成分趕盡殺絕，之前移植了異種器官移植的患者主要死因皆是免疫排斥。
隨著生物技術的發展，基因編輯技術為減弱免疫排斥，提高器官移植成活率提供了解決方案。
豬長出了“人的腎臟”？
經過不斷的努力，科學家已經對負責免疫排斥和腎臟生成的基因功能有了較為深入的了解。此次研究中，科學家就利用基因編輯技術敲除了豬負責免疫排斥的基因從而獲得免疫缺陷豬模型。
但即使沒有免疫排斥，讓人的干細胞在豬體內存活，并在豬體內分化成人源化腎臟也是一大難題。
為了獲得這種在豬體內具有強生存能力和高分化能力的嵌合干細胞，研究組通過深入研究種間差異障礙機制發現：
過表達MYCN和BCL2兩個基因能夠促使人的干細胞在豬體內更好地存活。通過在干細胞培養基中加入促進分化的化合物和調節因子，最終獲得了生存和分化能力兼具的腎臟干細胞（4CL/N/B 細胞）。
圖源：參考文獻[1]
解決了細胞存活的關鍵問題，如何讓移植入豬體內的人源干細胞取代豬的干細胞并發育成“人源化腎臟”是科學家面臨的又一難題。
研究組決定將負責豬腎臟發育的幾個關鍵基因敲除獲得腎臟缺陷豬，從而為人源細胞“取而代之”提供充足的發育空間。
這種被稱為胚胎補償的技術一直以來都是異種器官培養的關鍵難題。在多個研究團隊的密切合作和多次摸索嘗試下，最終確定了培育人源化腎臟的最佳方案：
在胚胎發育的桑葚胚到早期囊胚期注入3~5個人類干細胞可以最大可能獲得嵌合胚胎。
同時，為了解決因人和豬細胞培養條件不同帶來的體外嵌合胚胎難以培養的難題，研究團隊通過大量摸索確定了嵌合胚胎的最佳培養條件。
在多個團隊的通力合作下，移植的1820個胚胎中5個胚胎的腎臟發育到了第二階段，解剖發現腎臟的70% 細胞來源于人，說明嵌合腎臟的培育成功。
類器官的培育過程。圖源：參考文獻[1]
其實，除了豬，用于類器官研究的動物有很多，如猴子、小鼠、山羊等。
但是，無論是異種器官移植還是器官培育，豬都是最常見的器官供體，因為相比于其他動物，豬和人的器官大小相當，結構和功能接近，便于匹配。
同時，豬作為飼養成熟的家畜，相比于靈長類動物繁殖周期短、飼養成本低且存在較少的倫理問題。
培養類器官有什么用？
除了腎臟，其他的類器官研究還包括肝臟、心臟、肺臟和腸道等。類器官的研究尚在起步階段，技術很不成熟，離應用到器官移植還任重道遠。
心臟類器官。圖源：參考文獻[2]
不過，類器官在研究器官發育和疾病發生機制、疾病建模和藥物篩選等領域的應用已經初有成效。
如藥物篩選領域，常規藥物的研發需要經歷動物實驗和臨床研究等多個階段，不僅研發時間長，費用高且有些藥物毒性大可能造成人和動物死亡。
利用類器官研究毒性和療效，不僅比動物實驗更接近人體內的真實效果，而且能夠縮短研發周期，節省研發費用。
比如，目前在臨床II期的雙抗藥物 MCLA-158 就是通過類器官篩選而來，臨床結果表現優異。類器官模型在結直腸癌和肺纖維化藥物的篩選中，也有初步成效。
類器官的應用，圖源：參考文獻[3]
雖然類器官的應用前景廣泛，但我們也需要認識到其中的挑戰和限制。
比如，目前對器官發育的了解尚不透徹、類器官尚無法模擬真實器官生理功能、類器官培育的技術尚不成熟等。
但總的來說，類器官因其獨特的優勢和潛力，在藥物開發、精準醫療、再生醫學等領域的應用前景廣闊。它們可能在未來的醫學研究中發揮重要作用，為人類的健康事業做出貢獻。
參考文獻
[1] Cell Stem Cell. 2023 Sep 7;30(9):1235-1245.e6. doi: 10.1016/j.stem.2023.08.003.
[2] Lee, J., et al. In vitro generation of functional murine heart organoids via FGF4 and extracellular matrix. Nat Commun 11, 4283 (2020).
[3] Corrò, C., Novellasdemunt, L. & Li, V.S.W. A brief history of organoids. Am J Physiol Cell Physiol 319, C151-C165 (2020).
[4] Huang Keqing;Liu Guiting;Gu Zhipeng;Wu Jun.Tofu as excellent scaffolds for potential bone regeneration.Chinese Chemical Letters(2020)
[5]Huang, Keqing; Gu, Zhipeng; Wu, Jun.Tofu-Incorporated Hydrogels for Potential Bone Regeneration.ACS BIOMATERIALS SCIENCE &ENGINEERING(2020)
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