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。

　　昆士兰大学（University of Queensland， Australia）的生物学家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的能力，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。“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、分化出了各种细胞，并且形成了有孔的球状结构，而且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，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，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。

　　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，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分化为肠道细胞，他们主要对两条关键的信号通进行了调控，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，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，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，制定了后续的化学策略，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。

　　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。