實驗室制造人類器官的研究熱潮

zui近5年，干細胞生物學領域的重要進展是類器官培養(yǎng)，目前已經培養(yǎng)出包括人類大腦在內的多種多樣的類器官。類器官技術的深入研究或許能顛覆過去常規(guī)細胞生物學技術，極大地促進人類疾病治療的研究速度。2015年7月30日《自然》專門發(fā)專題文章介紹這一重要研究領域。

2011年，維也納分子生物技術研究所Madeline Lancaster有一段時間試圖培養(yǎng)神經玫瑰花狀結構，這是描述胚胎干細胞神經分化早期結構的專有名詞，在靈長類胚胎干細胞神經分化過程中該結構尤為典型。不知什么原因，這些細胞沒有按照預期長在培養(yǎng)板底部，而是形成一些奇怪的乳白色球體機構。開始她不認識到底是什么東西，11月的1天，她發(fā)現(xiàn)這個白色結構上出現(xiàn)一個奇怪的色素區(qū)域，在顯微鏡下，她看到這符合發(fā)育中黑色視網(wǎng)膜細胞的特征，視網(wǎng)膜是從胚胎大腦生長出的結構。隨后Lancaster將其中一個球型結構切片，在顯微鏡下她看到各種類型的神經細胞，這些細胞分布非常符合胚胎大腦的結構特征。此時，她意識到自己不小心培養(yǎng)出微型大腦。她隨后向導師Jürgen Knoblich匯報了這一新發(fā)現(xiàn)。人類許多重要發(fā)現(xiàn)都是偶然，如果Lancaster當時發(fā)現(xiàn)這些不符合預期的實驗結果后，沒有繼續(xù)觀察，也許這一重要發(fā)現(xiàn)會擦肩而過。因此在遇到一些不符合預期研究的情況下，不要輕易放棄，意外實驗結果往往帶來意外驚喜。

Lancaster等并不是*個在實驗室培養(yǎng)出大腦。2008年，日本科學家曾經報道用小鼠和人類胚胎干細胞培養(yǎng)出大腦皮層結構。此后，培養(yǎng)人類器官學術競賽拉開序幕。通過小心地調整培養(yǎng)刺激方案，科學家先后制造出多種三維結構的人類器官如眼睛、腸、肝、腎、胰腺、前列腺、肺、胃和乳腺等。這些結構雖然不是真正意義上的人類器官，但能在結構和功能上模擬真實器官，在人類器官發(fā)育研究、疾病機制研究、藥物篩選和器官修復材料等方面均有重要作用。因此，這些微型人造器官獲得一個統(tǒng)一名稱：類器官organoids。英國劍橋大學干細胞學家Austin Smith認為這是過去5年內干細胞研究領域zui突出的進展。

這些類器官現(xiàn)在仍然不夠。有的缺乏關鍵細胞類型，有的只能模仿器官發(fā)育的早起階段，實驗結果也不穩(wěn)定。一些科學家正努力提高這些培養(yǎng)器官的復雜性、成熟度和可重復性等。也有科學家發(fā)現(xiàn)，這些細胞自組織形成器官屬于內在特征。Knoblich認為，不需要復雜多余刺激，這些細胞具有自發(fā)形成大腦結構的內在動力。澳大利亞昆士蘭大學分子生物學家Melissa Little認為，培養(yǎng)出器官本身不值得大驚小怪，胚胎根本不需要一個模板或路線圖指導，本身具有內在自組織的能力。1900年代，胚胎學家就發(fā)現(xiàn)被分解成單個海綿細胞可以重新組裝，但這樣的工作早就被放棄，現(xiàn)代生物學家的注意力集中在細胞純化，將細胞貼壁培養(yǎng)成為常規(guī)，這人為地削弱限制了細胞的自組織能力。

加州勞倫斯伯克利國家實驗室腫瘤學家Mina Bissell人為，通過研究細胞理解器官功能，就好像研究蓋房子的磚理解房子一樣可笑，研究器官應該從整體水平上開展。Bissell的研究就是對乳腺細胞進行立體培養(yǎng)。2005年前后，他的這種看法變得更為現(xiàn)實樂觀。尤其是2008年后，日本理化研究所生物發(fā)育中心Yoshiki Sasai培養(yǎng)出大腦皮層、視網(wǎng)膜和腺垂體。

2007年，荷蘭Hubrecht研究所的Hans Clev曾鑒定出腸干細胞，2009年，Hans Clev宣布培養(yǎng)微型腸。該小組采用類似于細胞外基質軟膠作為人工基底膜培養(yǎng)出腸結構，本來是希望培養(yǎng)出球形結構，但經過實際培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，這些細胞分化為不同類型，形成有許多突起的空心球體，這些結構是典型的腸絨毛和隱窩，和真實的腸結構幾乎一樣。Clevers的微型小腸已經被用于臨床藥物篩選，醫(yī)生從一名囊性纖維化患者活檢采集直腸組織，然后培養(yǎng)出腸組織，利用這種組織篩選潛在藥物。囊性纖維化是因為腸道和呼吸道上皮細胞離子通道基因缺陷，導致水分子無法進入細胞內。如果藥物有效，則會因為水分子進入細胞迅速引起細胞腫脹。利用這種方法，Clevers確定了Kalydeco在100名囊性纖維化患者有治療效果。類器官能幫助醫(yī)生選擇的癌癥治療方法。2015年，Clevers利用結直腸癌患者的腫瘤組織培養(yǎng)，建立了這些患者的類器官庫。紐約冷泉港實驗室腫瘤學家David Tuveson和Clevers合作培養(yǎng)建立胰腺癌類器官庫。這些類器官能作為發(fā)現(xiàn)有效抗癌藥物的理想工具。

2014年，發(fā)育生物學家James Well培養(yǎng)出人胃類器官。Wells使用的材料不同于Clevers，他們培養(yǎng)的類器官使用成年干細胞只能分化出有限的細胞類型。俄亥俄州辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)學中心Wells的同事利用胚胎干細胞培養(yǎng)的胃類器官則擁有全部細胞類型。10年前，Wells等開始用人類胚胎干細胞培養(yǎng)腸細胞。當他們對兩個關鍵細胞信號通路進行操作時，這些細胞形成微小圓形芽樣結構。Wells發(fā)現(xiàn)，這些結構類似4周胎齡的原始腸管，這太讓人激動了，這說明他們獲得培養(yǎng)類器官的可能。因為許多器官如食管、肺、氣管、胃、胰腺、肝、腸、膀胱都是從這個原始腸管分化發(fā)育形成的，發(fā)育的次序是從口到肛門。

Wells等結合文獻和自己的經驗，確定那些化學信號能引導該原始腸管分化成特定器官。2011年，他們*次報道了自己*個人源類器官：一個芝麻大小的腸組織。但是培養(yǎng)胃是一個很大的挑戰(zhàn)。人類胃有兩個不同的部位，釋放酸的胃頂和產生大量消化液的胃底部。導致這些不同分化的信號通路并不清楚。人的胃與許多實驗動物不同，因此沒有好的動物模型。只能采用試錯的笨辦法，先進行猜測，然后驗證不同的生長因子組合。努力zui終獲得成功，2014年，他們成功培養(yǎng)出人胃類器官。利用這個工具，該小組確定了胃底發(fā)育的關鍵信號分子?，F(xiàn)在他們正在進行關于胃的發(fā)育和生理學基礎研究。例如調節(jié)分泌的因子。當然也同時進行利用原始腸管培養(yǎng)其他類器官的嘗試。

劍橋大學發(fā)育遺傳學家Daniel St Johnston認為，這些研究可以實際觀察這些細胞如何組織形成復雜的結構，這對理解人類發(fā)育非常重要。但是許多類器官仍然是單一組織，這限制了進化生物學的價值。某些功能信息必須在完整器官中才能實現(xiàn)。

Melissa Little近10多年一直對腎臟結構的復雜性驚訝。成年腎臟大約22-30種結構和功能不同的細胞。腎小體負責將血液過濾形成尿液。腎小體管路周圍基質分布的血管網(wǎng)將過濾后的血液帶走。2010年，Little等開始利用胚胎干細胞培養(yǎng)腎臟租細胞。3年后她們嘗試各種生長因子和給予時間程序，zui終2013年培養(yǎng)出了有兩種胚胎腎細胞的類器官。這種類器官只符合胚胎腎組織特點，只有腎祖細胞和腎小管細胞，與成年腎臟組織有很大區(qū)別。培養(yǎng)成年腎臟類器官仍然十分具有挑戰(zhàn)性，因為還需要有血管和間質。腎臟在藥物代謝和排泄中具有重要作用，Little希望她的微型腎臟能作為檢測候選藥物毒性的工具。心臟和肝臟類器官當然也具有類似的功能。

哥倫比亞大學干細胞學家Michael Shen培養(yǎng)出了前列腺類器官。雖然這些類器官能代替動物實驗進行某些研究，但是無法研究整體動物具有的免疫系統(tǒng)功能。因此類器官并不能*取代動物實驗。

2010年，紐約哥倫比亞大學器官移植專家Takanori Takebe培養(yǎng)出肝臟類器官。他知道許多患者因為缺乏肝死于肝臟衰竭，他希望利用組織工程技術解決這個難題。成年肝臟細胞很難培養(yǎng)，體外培養(yǎng)只能存活幾個小時。Takebe從日本橫濱市立大學申請到一個研究職位，希望利用誘導干細胞iPS進行這一研究。他首先將iPS定向分化成為肝臟祖細胞或成肝細胞，胚胎時期的成肝細胞依靠來自周圍間質和血管內皮細胞的復雜信號分化成熟。Takebe估計這些周圍支持細胞也應該是體外肝臟分化的必要條件。于是他和同事將成肝細胞和間質和血管內皮細胞進行混合，試驗取得了預期結果，獲得了小扁豆大小類似人類6周胎齡胚胎肝臟結構的肝臟類器官。這種結構能在體外連續(xù)培養(yǎng)2月。盡管這個小肝臟與完整的肝臟相差甚遠，但是Takebe希望能用大量這種小肝臟組合成一個肝臟，這也許足夠滿足挽救患者生命的需要，這一目標至少在小鼠體內能實現(xiàn)。當Takebe將12個肝臟類器官接種到小鼠腹部，2天后這些肝臟出現(xiàn)了小鼠血管和血液供應，這些細胞繼續(xù)發(fā)育成成熟肝臟細胞，能制造肝臟特異性蛋白，能代謝藥物。用藥物將小鼠自身肝臟破壞后1月內，大多數(shù)對照組動物死亡，但接受肝臟類器官移植的動物大部分存活下來。

Takebe希望4年內開展臨床研究，計劃首先用在兒童肝衰竭患者。他們現(xiàn)在能將肝臟類器官培養(yǎng)地足夠小數(shù)量足夠多，可以通過門靜脈輸入。Takebe設想這很可行，但是Smith認為這過于超前，這些類器官需要進一步深入研究。

生物學家知道類器官還不能模擬真正的器官，但這是走向zui終成功的*步。溫斯頓塞勒姆的維克森林再生醫(yī)學研究所主任Anthony Atala說，長期目標是能制造出越來越多種*功能結構的人類器官。這一領域已經把臨床學家、干細胞學家和發(fā)育生物學家結合在一起，雖然困難，但目標明確且充滿希望。