培育类器官

这不过是11月里一个普通的日子，但Madeline Lancaster却意外地发现，她培育出了一个脑组织。好几个星期以来，Lancaster一直在尝试使用人体胚胎干细胞培育出神经细胞团（neural rosettes），这种神经细胞团能够进一步分化出各种不同的神经元细胞。但是不知道为什么，这些细胞就是不能像其它体外培养的细胞那样，很好地贴附在细胞培养皿上，它们全都悬浮在培养基里，形成奇怪的、乳状的小颗粒。

据当时还在奥地利维也纳分子生物技术研究院（Institute of Molecular Biotechnology in Vienna）担任博士后的Lancaster回忆，他真不知道这些东西是什么。不过在2011年11月的那一天，她注意到在某一个小颗粒上出现了一个小色点。再拿到显微镜下仔细一观察，Lancaster意识到这应该就是正在发育中的视网膜暗细胞，而视网膜正是发育中的大脑向外长出的一种结构。于是Lancaster切开了这种小颗粒，并从中挑出了好多种不同的神经元细胞。Lancaster意识到这些神经细胞自己就形成了一个胚胎脑组织，于是她立即找到她的导师——干细胞生物学家Jürgen Knoblich，向他汇报了这个好消息。“我发现了一些很神奇的东西，你快来看看。”Lancaster当时就是这样说的。

Lancaster等人并不是第一个在培养皿里养出脑组织的课题组。早在2008年，日本的科研人员就报道称，他们成功地利用小鼠和人胚胎干细胞培育出了类似大脑皮层（cerebral cortex）的、有层次的细胞团。从那以后，全世界的科研人员就开始尝试利用胚胎干细胞培育各种组织和器官。科学家们利用精细的化学同步信号，成功培育出了具有三维立体结构的眼、肠、肝、肾、胰腺、前列腺、肺、胃和乳腺等各种类组织。他们将这种组织块称作“类器官（organoid）”，因为这些类器官能够模拟真实器官的一部分结构和功能，能够帮助我们进一步了解人体发育的机制，也可以用作疾病模型或者药物筛选平台，而且还有望成为移植器官的来源。英国剑桥大学Wellcome基金会MRC干细胞研究所（Wellcome Trust/MRC Stem Cell Institute at the University of Cambridge， UK）的所长Austin Smith表示，这可能是近半个多世纪以来干细胞研究历史上最重大的科研进展了。

不过现有的这些类器官还不够完美。很多类器官里都还缺少关键的细胞，很多类器官也只能够模拟器官发育过程的最初阶段，而且各批次之间的差异也比较大，缺乏稳定性。所以科研人员们还在继续努力，开发出更加复杂、更加成熟、可重复性更高的类器官培育技术。当然，科研人员们也非常惊奇，那么一点点细胞就能够自我集合，并发育成如此精巧的类器官。Knoblich表示，培育类器官完全不需要什么高级的生物技术，只需要放手让这些细胞自己干就行，它们最后就会给你一个大脑。

培育肠道类器官

澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland， Australia）的分子生物学家Melissa Little认为，培育肠道类器官这并不是什么让人惊奇的事情，她说道：“胚胎本来就拥有惊人的自我聚合能力，它们完全不需要任何的模板或者蓝图，自己就知道该怎么做。”而且早在20世纪初，我们就已经知道这一点了，当时的胚胎生物学家们就发现，将海绵细胞完全分散之后，它们还是能够重新聚集到一起。不过这种研究工作很快就被人遗忘了，现代生物学家们全都把注意力集中到如何分离纯化并培养细胞上去了，但人工培养的细胞几乎都是薄薄的细胞层，完全不像正常的人体组织结构。

美国加利福尼亚州Lawrence Berkeley国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory in California）的肿瘤学家Mina Bissell认为，用这种细胞来研究器官的功能，就和用一堆砖来研究房子的功能一样可笑。她指出，如果要知道房子的功能，我们首先应该盖一间房子。Bissell等人开展的乳腺细胞培养工作进一步表明，三维立体生长的细胞在行为上与传统平面培养的细胞是不一样的。到了2000年中，这个观点受到了更多人的关注，最主要的原因是因为日本神户RIKEN发育生物学研究中心（RIKEN Center for Developmental Biology in Kobe， Japan）的干细胞生物学家Yoshiki Sasai相继培育出了大脑皮层、未发育的视杯和脑垂体等组织（Nature 488， 444–446； 2012）。

就在Sasai培育出大脑皮层之后仅仅一年，荷兰Hubrecht研究所（Hubrecht Institute in Utrecht， the Netherlands）的干细胞研究人员Hans Clevers就报道称，他们培育出了一个肠道类器官。而类器官研究大高潮则源自2007年时的一个发现。当时Clevers等人在小鼠体内发现了肠道干细胞（intestinal stem cells）。这些细胞在体内似乎具有不受限制的分裂能力，能够不断更新肠道内皮细胞，而Clevers的博士后Toshiro Sato的任务就是在体外培养这种肠道干细胞。

不过Sato等人并没有采用传统的平面培养模式，他们决定将这些肠道干细胞置于凝胶基质里生长，以模拟正常组织的细胞外基质环境。“我们就是想试试看。也许这样就能够培育出一个细胞球或者细胞团呢。”Clevers介绍道。几个月以后，Clevers等人在显微镜下看到的已经不止是细胞团了。这些肠道干细胞开始分裂、分化出了各种细胞，并且形成了有孔的球状结构，而且上面还形成了很多疣状突起。他们还在这种球状结构的内部发现了类似于肠道绒毛（villi）和隐窝（crypts）的结构。Clevers指出，这些结构让他们大吃一惊，因为这看起来就和肠道组织一模一样，实在是太漂亮了。

Clevers等人于2009年发表文章报道了这一科研成果，这也极有可能会成为个体化医疗（personalized medicine）的有力工具。Clevers等人正使用这种肠道类器官来验证各种治疗囊性纤维化病（cystic fibrosis）药物的疗效。我们知道囊性纤维化病就是因为基因突变，导致离子通道障碍，破坏了肺部和肠道液体转运的一种疾病。科研人员们会对囊性纤维化病患者进行直肠活检，提取肠道细胞，培育出肠道类器官，然后用这种平台筛选出有作用的治疗药物，进行个体化治疗。Clevers表示，如果药物能够打开离子通道，那么液体就能够进入肠道内皮细胞，肠道类器官就会肿胀起来，这是非常容易判断的。所以用肠道类器官来开展药物筛选工作要比对临床患者进行临床试验更便捷，而且成本也更低。

Clevers已经用这套技术，培育了大约100名患者的肠道类器官，并对Kalydeco (ivacaftor)和另外5种治疗囊性纤维化病的药物进行了检验。至少有两名患者已经开始用Kalydeco进行治疗了。

类器官还可以帮助临床医生们为肿瘤患者挑选合适的治疗方案。今年早些时候，Clevers等人公布了一个消息，他们用结肠癌肿瘤细胞培育了一批类器官，与他们合作的美国纽约冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory in New York）的肿瘤学家David Tuveson也用胰腺癌患者的活检组织培育了一批胰腺类器官。这两种类器官都可以用来筛选最佳的抗癌药物。据Tuveson介绍，患者需要的就是最适合他们的治疗方案，Tuveson等人正在做的就是这种工作。

胃类器官

发育生物学家James Wells也体会到了这种激动的心情，他在去年也报道了他们团队的科研成果，他们培育出了一个部分类似于人体胃结构的类器官。

Wells和Clevers使用的“原材料”有所不同。Clevers等人使用的是成体干细胞（adult stem cells），这种细胞只能分化出有限的几种细胞。就职于美国俄亥俄州辛辛那提儿童医学中心（Cincinnati Children’s Hospital Medical Center in Ohio）的Wells等人使用的则是胚胎干细胞，这些细胞几乎能够分化出体内的所有细胞。所以他们培育出的类器官在结构上更为复杂。

十年前，Wells等人开始尝试将胚胎干细胞诱导分化为肠道细胞，他们主要对两条关键的信号通路进行了调控，结果获得了很小的圆形细胞芽。Wells注意到这些球状结构能够模拟受孕4周之后即出现的原肠（primitive gut tube）的节段。这是一个令人激动的研究成果，因为他意识到他们终于向培育各种类器官迈出了成功的第一步。Wells解释道：“从口腔到肛门，食道、肺、气管、胃、胰腺、肝脏、肠道、膀胱，这每一种器官都源自原肠。”

Wells等人查阅了大量的文献，再结合他们自己的研究成果，制定了后续的化学诱导策略，促使原肠继续分化为各种不同的器官，终于在2011年培育出了他们课题组的第一个人体类器官——大约有芝麻大小的肠道组织。不过培育胃组织的难度要大得多。人体的胃组织包括两个关键的部分，包括位于顶部，负责分泌胃酸的部分，和位于底部的，负责分泌各种消化激素的胃窦（antrum）部分，但是我们还不太清楚都有哪些信号通路会促进这两个部分的分化和发育。而且，据Wells等人实验室的毕业生Kyle McCracken（现在已经是该中心的一名医学生）介绍，人体的胃和他们实验室里使用的其它动物的胃都不一样，所以就没有一个很好的动物模型可供参考。

于是Wells等人选择了一种试错策略（trial-and-error approach），就是不断试验各种诱导方案，并且最终取得了成功。他们于2014年发表了一篇论文，介绍了他们成功培育出类似胃窦组织的经验。他们以这种胃窦类器官为模型进行了研究，发现了能够促使胃底（fundus）发育的化学信号。该课题组目前正在尝试回答与胃发育和生理功能有关的几个基础问题，比如都有哪些因子参与了胃酸分泌的调控作用，他们也在继续研究如何利用原肠组织培育出更多不同的类器官。

该研究进展也鼓舞了英国剑桥大学格登研究所（University of Cambridge’s Gurdon Institute）的发育遗传学家Daniel St Johnston，他表示，你可以亲眼看到细胞是如何一步步组织起来，发育成一个复杂的结构。这是人体胚胎不可能带给我们的。不过绝大部分类器官还都只是一块组织，这也给发育生物学家们造成了一定的局限。还有一些问题我们是无法回答的，因为这需要对一个完整的器官进行研究才能够做出解答。

肾脏类器官

Melissa Little已经用了十几年的时间来研究肾脏的复杂性问题。据她介绍，在一个成年人的肾脏里面，大概有25~30种不同的细胞，每一种细胞的功能也都各不相同。名为肾单位（nephrons）的管状结构主要起到了过滤血液，并生成尿液的作用。肾单位周围的间质组织（interstitium）则形成了一个错综复杂的网络结构，其中充满了血管和各种管状结构，将尿液引出肾脏。

2010年，Little等人开始尝试将胚胎干细胞诱导生成能够分化出肾单位的定向祖细胞（progenitor cell）。她们用了3年的时间，尝试了各种诱导策略，最终于2013年取得了成功。她们原本只想获得祖细胞，可是后来却发现，细胞培养皿里出现了两种细胞，而且这两种细胞已经自发地组成了它们在胚胎里的样子。Little介绍道：“当时我们就惊叫道：‘哇，这太神奇了，对吧。’”

这种类器官更像胚胎肾，而不太像成体肾，因为里面既含有肾单位祖细胞，也含有能够分化出集尿管的祖细胞。“如果你想使其进一步成熟，那就会碰到很大的困难。”Little介绍道。于是她们团队决定开发出一个更加精细的版本，培育出含有血管和间质的组织。她们想看看将这种迷你器官移植到小鼠体内之后是否能够像正常的肾脏那样，产生尿液。“我对我们的研究结果充满了期待。”Little表示。

由于肾脏在药物代谢和排泄过程中起到了关键性的作用，所以Little认为，她们的迷你肾可以用于药物毒性研究工作当中，在进行临床试验之前先检验一下药物的肾脏毒性。科研人员们也认为，心脏或肝脏等其它类器官同样可以应用于药物筛选工作，了解其毒性作用，这与标准的组织培养或动物实验相比，能够更好地反映药物对某个器官的毒性作用。

不过美国纽约哥伦比亚大学（Columbia University in New York）的干细胞研究者Michael Shen对于这种类器官模型是否能够完全取代动物模型还持有不同的意见。Shen也曾经成功地培育出前列腺类器官。他认为，动物模型能够告诉我们药物对机体免疫系统的影响作用，但是类器官模型是做不到这一点的。Shen表示，你肯定希望用活体实验来验证你的结果。但Shen认为活体动物实验的结果才是有说服力的实验结果。

肝脏类器官

Takanori Takebe在美国纽约学习完之后，就一直想培育出一个肝脏类器官。Takebe2010年时曾经在美国纽约哥伦比亚大学器官移植中心工作过，他当时就亲眼目睹了很多因为缺少供肝而死于肝功能衰竭的患者。他指出，那种感觉真的很不好。当他接触到组织工程学技术之后就感到，这种将细胞“种植”到人造器官骨架上的技术肯定会失败的。因为他认为，成体肝细胞在这种条件下是很难存活的，“在这种实验条件下，成体肝细胞甚至都活不过两小时。”Takebe介绍道。

后来Takebe在日本横滨大学（Yokohama City University in Japan）获得了一个研究职位，于是他决定开展诱导多潜能干细胞（induced pluripotent stem cells， iPS cells）的相关研究工作，所谓诱导多潜能干细胞就是利用成体细胞，将其重编程之后形成的一种类似于干细胞的细胞。Takebe诱导iPS细胞生成了肝脏前体细胞，或者叫肝胚细胞（hepatoblasts）。在胚胎里，肝胚细胞会依靠一套源自邻近细胞的复杂的调控信号进一步成熟、发育，所以Takebe认为，在体外培养系统中也应该加入这种邻近细胞。于是他们将肝胚细胞与间充质细胞（mesenchymal cells）和内皮细胞（endothelial cells）混在一起，结果非常好。他们成功地培育出了“肝芽（liver buds）”，这种肝芽比小扁豆大不了多少，与人体6周龄胚胎的肝组织差不多。Takebe等人后来又发现，这些肝芽组织与成体肝细胞不同，它们在体外培养的环境下至少可以存活两个多月。

不过这与获得完整的肝脏还差得很远，一个成体肝脏至少含有数百亿个肝细胞，是一个有多个肝裂，重达数斤的器官。Takebe希望能够将这种肝芽注入衰竭的肝脏，恢复患者的肝功能，挽救患者的生命，起到替代肝移植的目的。这种策略已经在小鼠动物实验里取得了成功。Takebe等人将十几个肝芽注入了小鼠的腹腔，看到了非常明显的效果。不到两天的时间，这些肝芽就连上了小鼠的血液系统，并继续发育为了成熟的肝细胞，表达出了肝脏特异性的蛋白质，并且对药物发挥了代谢作用。他们也用药物破坏了小鼠的肝脏，构建了肝衰竭的动物模型。一个月之后，对照组小鼠基本上都死了，可是接受了肝芽移植的实验组小鼠几乎全都存活了下来。

Takebe等人希望能够在四年之内启动人体试验。他表示，他们会选择迫切需要肝脏移植的儿童为优先试验对象。他们正在尝试能够大批量培育出体积更小肝芽组织的方法，这样就可以直接通过门静脉对肝内进行定向输注。Takebe认为他们的计划是可行的，不过Smith却觉得太仓促了一点，因为在应用于临床之前，还有很多最基本的生物学问题需要阐明，所以Smith觉得Takebe是还没学会走，就想先学会跑。

生物学家们也知道，他们的迷你类器官与真实的器官相比还非常的粗糙。不过美国北卡罗来纳州Wake Forest再生医学研究所（Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in Winston-Salem， North Carolina）的所长Anthony Atala认为，类器官的出现至少给他们指明了今后努力的方向。他表示，他们的长期目标就是要在功能上尽可能地替代人体器官。也有越来越多的发育生物学家、干细胞生物学家和临床科研人员投入到这个领域。现在的目标就是培育出更加精细的、体积更大，含有细胞种类更多的器官。

Wells也表示，尽管现在这种原始的类器官带给我们的信息还不能够帮助我们开发出动物模型，因为动物体内的调控信号太过复杂。但是这些信息却足以让我们在培养皿里取得成功。只需要往培养皿里加入化学诱导信号和几种蛋白质因子就足够了。