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《自然》实验室制造人类器官的研究热潮

最近5年,干细胞生物学领域的重要进展是类器官培养,目前已经培养出包括人类大脑在内的多种多样的类器官。类器官技术的深入研究或许能颠覆过去常规细胞生物学技术,极大地促进人类疾病治疗的研究速度。2015年7月30日《自然》专门发专题文章介绍这一重要研究领域。

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2011年,维也纳分子生物技术研究所Madeline Lancaster有一段时间试图培养神经玫瑰花状结构,这是描述胚胎干细胞神经分化早期结构的专有名词,在灵长类胚胎干细胞神经分化过程中该结构尤为典型。不知什么原因,这些细胞没有按照预期长在培养板底部,而是形成一些奇怪的乳白色球体机构。开始她不认识到底是什么东西,11月的1天,她发现这个白色结构上出现一个奇怪的色素区域,在显微镜下,她看到这符合发育中黑色视网膜细胞的特征,视网膜是从胚胎大脑生长出的结构。


随后Lancaster将其中一个球型结构切片,在显微镜下她看到各种类型的神经细胞,这些细胞分布非常符合胚胎大脑的结构特征。此时,她意识到自己不小心培养出微型大脑。她随后向导师Jürgen Knoblich汇报了这一新发现。人类许多重要发现都是偶然,如果Lancaster当时发现这些不符合预期的实验结果后,没有继续观察,也许这一重要发现会擦肩而过。因此在遇到一些不符合预期研究的情况下,不要轻易放弃,意外实验结果往往带来意外惊喜。


Lancaster等并不是第一个在实验室培养出大脑。2008年,日本科学家曾经报道用小鼠和人类胚胎干细胞培养出大脑皮层结构。此后,培养人类器官国际学术竞赛拉开序幕。通过小心地调整培养刺激方案,科学家先后制造出多种三维结构的人类器官如眼睛、肠、肝、肾、胰腺、前列腺、肺、胃和乳腺等。这些结构虽然不是真正意义上的人类器官,但能在结构和功能上模拟真实器官,在人类器官发育研究、疾病机制研究、药物筛选和器官修复材料等方面均有重要作用。因此,这些微型人造器官获得一个统一名称:类器官organoids。英国剑桥大学干细胞学家Austin Smith认为这是过去5年内干细胞研究领域最突出的进展。


这些类器官现在仍然不够完美。有的缺乏关键细胞类型,有的只能模仿器官发育的早起阶段,实验结果也不稳定。一些科学家正努力提高这些培养器官的复杂性、成熟度和可重复性等。也有科学家发现,这些细胞自组织形成器官属于内在特征。Knoblich认为,不需要复杂多余刺激,这些细胞具有自发形成大脑结构的内在动力。澳大利亚昆士兰大学分子生物学家Melissa Little认为,培养出器官本身不值得大惊小怪,胚胎根本不需要一个模板或路线图指导,本身具有内在自组织的能力。1900年代,胚胎学家就发现被分解成单个海绵细胞可以重新组装,但这样的工作早就被放弃,现代生物学家的注意力集中在细胞纯化,将细胞贴壁培养成为常规,这人为地削弱限制了细胞的自组织能力。


加州劳伦斯伯克利国家实验室肿瘤学家Mina Bissell人为,通过研究细胞理解器官功能,就好像研究盖房子的砖理解房子一样可笑,研究器官应该从整体水平上开展。Bissell的研究就是对乳腺细胞进行立体培养。2005年前后,他的这种看法变得更为现实乐观。尤其是2008年后,日本理化研究所生物发育中心Yoshiki Sasai培养出大脑皮层、视网膜和腺垂体。


2007年,荷兰Hubrecht研究所的Hans Clev曾鉴定出肠干细胞,2009年,Hans Clev宣布培养微型肠。该小组采用类似于细胞外基质软胶作为人工基底膜培养出肠结构,本来是希望培养出球形结构,但经过实际培养后发现,这些细胞分化为不同类型,形成有许多突起的空心球体,这些结构是典型的肠绒毛和隐窝,和真实的肠结构几乎一样。


Clevers的微型小肠已经被用于临床药物筛选,医生从一名囊性纤维化患者活检采集直肠组织,然后培养出肠组织,利用这种组织筛选潜在药物。囊性纤维化是因为肠道和呼吸道上皮细胞离子通道基因缺陷,导致水分子无法进入细胞内。如果药物有效,则会因为水分子进入细胞迅速引起细胞肿胀。利用这种方法,Clevers确定了Kalydeco在100名囊性纤维化患者有治疗效果。类器官能帮助医生选择最好的癌症治疗方法。2015年,Clevers利用结直肠癌患者的肿瘤组织培养,建立了这些患者的类器官库。纽约冷泉港实验室肿瘤学家David Tuveson和Clevers合作培养建立胰腺癌类器官库。这些类器官能作为发现有效抗癌药物的理想工具。


2014年,发育生物学家James Well培养出人胃类器官。Wells使用的材料不同于Clevers,他们培养的类器官使用成年干细胞只能分化出有限的细胞类型。俄亥俄州辛辛那提儿童医院医学中心Wells的同事利用胚胎干细胞培养的胃类器官则拥有全部细胞类型。10年前,Wells等开始用人类胚胎干细胞培养肠细胞。当他们对两个关键细胞信号通路进行操作时,这些细胞形成微小圆形芽样结构。Wells发现,这些结构类似4周胎龄的原始肠管,这太让人激动了,这说明他们获得培养类器官的可能。因为许多器官如食管、肺、气管、胃、胰腺、肝、肠、膀胱都是从这个原始肠管分化发育形成的,发育的次序是从口到肛门。


Wells等结合文献和自己的经验,确定那些化学信号能引导该原始肠管分化成特定器官。2011年,他们第一次报道了自己第一个人源类器官:一个芝麻大小的肠组织。但是培养胃是一个很大的挑战。人类胃有两个不同的部位,释放酸的胃顶和产生大量消化液的胃底部。导致这些不同分化的信号通路并不清楚。人的胃与许多实验动物不同,因此没有好的动物模型。只能采用试错的笨办法,先进行猜测,然后验证不同的生长因子组合。努力最终获得成功,2014年,他们成功培养出人胃类器官。利用这个工具,该小组确定了胃底发育的关键信号分子。现在他们正在进行关于胃的发育和生理学基础研究。例如调节分泌的因子。当然也同时进行利用原始肠管培养其他类器官的尝试。


剑桥大学发育遗传学家Daniel St Johnston认为,这些研究可以实际观察这些细胞如何组织形成复杂的结构,这对理解人类发育非常重要。但是许多类器官仍然是单一组织,这限制了进化生物学的价值。某些功能信息必须在完整器官中才能实现。


Melissa Little近10多年一直对肾脏结构的复杂性惊讶。成年肾脏大约22-30种结构和功能不同的细胞。肾小体负责将血液过滤形成尿液。肾小体管路周围基质分布的血管网将过滤后的血液带走。2010年,Little等开始利用胚胎干细胞培养肾脏租细胞。3年后她们尝试各种生长因子和给予时间程序,最终2013年培养出了有两种胚胎肾细胞的类器官。这种类器官只符合胚胎肾组织特点,只有肾祖细胞和肾小管细胞,与成年肾脏组织有很大区别。培养成年肾脏类器官仍然十分具有挑战性,因为还需要有血管和间质。肾脏在药物代谢和排泄中具有重要作用,Little希望她的微型肾脏能作为检测候选药物毒性的工具。心脏和肝脏类器官当然也具有类似的功能。


哥伦比亚大学干细胞学家Michael Shen培养出了前列腺类器官。虽然这些类器官能代替动物实验进行某些研究,但是无法研究整体动物具有的免疫系统功能。因此类器官并不能完全取代动物实验。


2010年,纽约哥伦比亚大学器官移植专家Takanori Takebe培养出肝脏类器官。他知道许多患者因为缺乏肝死于肝脏衰竭,他希望利用组织工程技术解决这个难题。成年肝脏细胞很难培养,体外培养只能存活几个小时。Takebe从日本横滨市立大学申请到一个研究职位,希望利用诱导干细胞iPS进行这一研究。他首先将iPS定向分化成为肝脏祖细胞或成肝细胞,胚胎时期的成肝细胞依靠来自周围间质和血管内皮细胞的复杂信号分化成熟。


Takebe估计这些周围支持细胞也应该是体外肝脏分化的必要条件。于是他和同事将成肝细胞和间质和血管内皮细胞进行混合,试验取得了预期结果,获得了小扁豆大小类似人类6周胎龄胚胎肝脏结构的肝脏类器官。这种结构能在体外连续培养2月。尽管这个小肝脏与完整的肝脏相差甚远,但是Takebe希望能用大量这种小肝脏组合成一个肝脏,这也许足够满足挽救患者生命的需要,这一目标至少在小鼠体内能实现。当Takebe将12个肝脏类器官接种到小鼠腹部,2天后这些肝脏出现了小鼠血管联系和血液供应,这些细胞继续发育成成熟肝脏细胞,能制造肝脏特异性蛋白,能代谢药物。用药物将小鼠自身肝脏破坏后1月内,大多数对照组动物死亡,但接受肝脏类器官移植的动物大部分存活下来。


Takebe希望4年内开展临床研究,计划首先用在儿童肝衰竭患者。他们现在能将肝脏类器官培养地足够小数量足够多,可以通过门静脉输入。


Takebe设想这很可行,但是Smith认为这过于超前,这些类器官需要进一步深入研究。


生物学家知道类器官还不能完美模拟真正的器官,但这是走向最终成功的第一步。温斯顿塞勒姆的维克森林再生医学研究所主任Anthony Atala说,长期目标是能制造出越来越多种完全功能结构的人类器官。这一领域已经把临床学家、干细胞学家和发育生物学家结合在一起,虽然困难,但目标明确且充满希望。


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