實驗室制造人類器官的研究熱潮

zui近5年，干細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域的重要進展是類器官培養(yǎng)，目前已經(jīng)培養(yǎng)出包括人類大腦在內(nèi)的多種多樣的類器官。類器官技術(shù)的深入研究或許能顛覆過去常規(guī)細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)，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(lǐng)域。

2011年，維也納分子生物技術(shù)研究所Madeline Lancaster有一段時間試圖培養(yǎng)神經(jīng)玫瑰花狀結(jié)構(gòu)，這是描述胚胎干細(xì)胞神經(jīng)分化早期結(jié)構(gòu)的專有名詞，在靈長類胚胎干細(xì)胞神經(jīng)分化過程中該結(jié)構(gòu)尤為典型。不知什么原因，這些細(xì)胞沒有按照預(yù)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(gòu)。開始她不認(rèn)識到底是什么東西，11月的1天，她發(fā)現(xiàn)這個白色結(jié)構(gòu)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(xì)胞的特征，視網(wǎng)膜是從胚胎大腦生長出的結(jié)構(gòu)。隨后Lancaster將其中一個球型結(jié)構(gòu)切片，在顯微鏡下她看到各種類型的神經(jīng)細(xì)胞，這些細(xì)胞分布非常符合胚胎大腦的結(jié)構(gòu)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?qū)烰ürgen 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(dāng)時發(fā)現(xiàn)這些不符合預(yù)期的實驗結(jié)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(yù)期研究的情況下，不要輕易放棄，意外實驗結(jié)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(xué)家曾經(jīng)報道用小鼠和人類胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)出大腦皮層結(jié)構(gòu)。此后，培養(yǎng)人類器官學(xué)術(shù)競賽拉開序幕。通過小心地調(diào)整培養(yǎng)刺激方案，科學(xué)家先后制造出多種三維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)雖然不是真正意義上的人類器官，但能在結(jié)構(gòu)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(fù)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(xué)干細(xì)胞學(xué)家Austin Smith認(rèn)為這是過去5年內(nèi)干細(xì)胞研究領(lǐng)域zui突出的進展。

這些類器官現(xiàn)在仍然不夠。有的缺乏關(guān)鍵細(xì)胞類型，有的只能模仿器官發(fā)育的早起階段，實驗結(jié)果也不穩(wěn)定。一些科學(xué)家正努力提高這些培養(yǎng)器官的復(fù)雜性、成熟度和可重復(fù)性等。也有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞自組織形成器官屬于內(nèi)在特征。Knoblich認(rèn)為，不需要復(fù)雜多余刺激，這些細(xì)胞具有自發(fā)形成大腦結(jié)構(gòu)的內(nèi)在動力。澳大利亞昆士蘭大學(xué)分子生物學(xué)家Melissa Little認(rèn)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(dǎo)，本身具有內(nèi)在自組織的能力。1900年代，胚胎學(xué)家就發(fā)現(xiàn)被分解成單個海綿細(xì)胞可以重新組裝，但這樣的工作早就被放棄，現(xiàn)代生物學(xué)家的注意力集中在細(xì)胞純化，將細(xì)胞貼壁培養(yǎng)成為常規(guī)，這人為地削弱限制了細(xì)胞的自組織能力。

加州勞倫斯伯克利國家實驗室腫瘤學(xué)家Mina Bissell人為，通過研究細(xì)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(yīng)該從整體水平上開展。Bissell的研究就是對乳腺細(xì)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(xì)胞，2009年，Hans Clev宣布培養(yǎng)微型腸。該小組采用類似于細(xì)胞外基質(zhì)軟膠作為人工基底膜培養(yǎng)出腸結(jié)構(gòu)，本來是希望培養(yǎng)出球形結(jié)構(gòu)，但經(jīng)過實際培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，這些細(xì)胞分化為不同類型，形成有許多突起的空心球體，這些結(jié)構(gòu)是典型的腸絨毛和隱窩，和真實的腸結(jié)構(gòu)幾乎一樣。Clevers的微型小腸已經(jīng)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(xì)胞離子通道基因缺陷，導(dǎo)致水分子無法進入細(xì)胞內(nèi)。如果藥物有效，則會因為水分子進入細(xì)胞迅速引起細(xì)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(jié)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(xué)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(xué)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(xì)胞只能分化出有限的細(xì)胞類型。俄亥俄州辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)中心Wells的同事利用胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)的胃類器官則擁有全部細(xì)胞類型。10年前，Wells等開始用人類胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)腸細(xì)胞。當(dāng)他們對兩個關(guān)鍵細(xì)胞信號通路進行操作時，這些細(xì)胞形成微小圓形芽樣結(jié)構(gòu)。Wells發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)構(gòu)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(jié)合文獻和自己的經(jīng)驗，確定那些化學(xué)信號能引導(dǎo)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(chǎn)生大量消化液的胃底部。導(dǎo)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(guān)鍵信號分子。現(xiàn)在他們正在進行關(guān)于胃的發(fā)育和生理學(xué)基礎(chǔ)研究。例如調(diào)節(jié)分泌的因子。當(dāng)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(xué)發(fā)育遺傳學(xué)家Daniel St Johnston認(rèn)為，這些研究可以實際觀察這些細(xì)胞如何組織形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(xué)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性驚訝。成年腎臟大約22-30種結(jié)構(gòu)和功能不同的細(xì)胞。腎小體負(fù)責(zé)將血液過濾形成尿液。腎小體管路周圍基質(zhì)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(xì)胞培養(yǎng)腎臟租細(xì)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(xì)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(xì)胞和腎小管細(xì)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(zhì)。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(dāng)然也具有類似的功能。

哥倫比亞大學(xué)干細(xì)胞學(xué)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(xué)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(shù)解決這個難題。成年肝臟細(xì)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(xué)申請到一個研究職位，希望利用誘導(dǎo)干細(xì)胞iPS進行這一研究。他首先將iPS定向分化成為肝臟祖細(xì)胞或成肝細(xì)胞，胚胎時期的成肝細(xì)胞依靠來自周圍間質(zhì)和血管內(nèi)皮細(xì)胞的復(fù)雜信號分化成熟。Takebe估計這些周圍支持細(xì)胞也應(yīng)該是體外肝臟分化的必要條件。于是他和同事將成肝細(xì)胞和間質(zhì)和血管內(nèi)皮細(xì)胞進行混合，試驗取得了預(yù)期結(jié)果，獲得了小扁豆大小類似人類6周胎齡胚胎肝臟結(jié)構(gòu)的肝臟類器官。這種結(jié)構(gòu)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(yuǎn)，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(biāo)至少在小鼠體內(nèi)能實現(xiàn)。當(dāng)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(yīng)，這些細(xì)胞繼續(xù)發(fā)育成成熟肝臟細(xì)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(nèi)，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(nèi)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(shè)想這很可行，但是Smith認(rèn)為這過于超前，這些類器官需要進一步深入研究。

生物學(xué)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(xué)研究所主任Anthony Atala說，長期目標(biāo)是能制造出越來越多種*功能結(jié)構(gòu)的人類器官。這一領(lǐng)域已經(jīng)把臨床學(xué)家、干細(xì)胞學(xué)家和發(fā)育生物學(xué)家結(jié)合在一起，雖然困難，但目標(biāo)明確且充滿希望。