生物学家“意外”培养迷你器官

生物学家汉斯·克莱夫斯承认，他从来没有想到这个结果会造福于广大患者。资料来源:sanderhezen

埃尔斯·范德·海登在50岁生日那天感觉更糟。她患有遗传性囊性纤维化，范德黑登一直在与这种疾病作斗争。但是这个住在荷兰小镇的女人经常觉得“乌云笼罩着她的头”2015年，她开始感到疲倦和上气不接下气，她有一种预感，也许她的生命即将结束。

后来，她在报纸上读到一篇文章，说一个名叫法比安的孩子也患有慢性疲劳症。科学家从他的结肠提取组织样本后，开发出一种“微型器官”，挽救了他的生命。医生用这个小器官来测试药物ivakato。这种药物非常昂贵，荷兰保险公司拒绝报销，因为没有证据表明它能帮助慢性肾衰竭患者。

法比安的CF是由极其罕见的突变引起的，所以他没有足够的证据向保险公司提供。但是研究表明，他的小肠对ivakato有反应，并且在服药后几小时内症状有所改善。最后，他的保险公司同意报销药费。

器官样药物测试

范德黑登的医生也为她做了一个小肠道手术。实验表明它对一种叫做奥坎比的药物有反应。这种药物结合了伊伐卡托和另一种化合物——卢马克托。在开始使用这种药物组合的几周内，“我充满了能量，并且第一次感觉到身体在正常运转。”她说。

这项改变生活的技术是在胡布雷希特研究所所长汉斯·克莱夫斯的实验室里开发出来的。

十多年前，克莱夫斯发现了一种肠道母细胞，它可以产生所有其他的肠道细胞。在适当的条件下，他的团队将这些细胞开发成三维铅笔尖大小的肠道。它的功能与肠道相似，充满了所有主要的细胞类型——这是一种器官样细胞。

Clevers在2009年报道了这一成就，并表示它有可能成为个性化医疗的有力工具。这种个性化的小肠已经用于CF药物测试。这种疾病是由基因突变引起的，基因突变会导致离子通道阻塞并损害肺和肠中的液体运输。

研究人员给器官添加不同的药物，如病人细胞培养的器官。如果药物能打开离子通道，那么液体就能进入肠道内皮细胞，肠道器官就会膨胀起来。Clevers说，用肠道器官进行药物筛选比用临床病人进行临床试验更方便，也更便宜。

这只是变化的开始。Clevers等人还培育了其他器官，如胃、胰腺、大脑和肝脏。由于操作简便，器官样器官可以揭示组织如何发展和修复损伤。但是许多研究人员表示，最令人兴奋的是，他们能够以新的方式模拟疾病。

研究人员正在从肿瘤细胞中提取材料，制造器官样器官来模拟癌症，并将特定的突变引入由健康组织制成的器官样器官，以研究癌症是如何产生的。2015年，克莱夫斯团队与美国纽约冷泉港实验室的肿瘤学家大卫·图维森团队合作，培养了一批带有结肠癌肿瘤细胞的器官样器官，还培养了带有胰腺癌患者活检组织的胰腺器官样器官。这两种器官都可以用来筛选最好的抗癌药物。

"这些器官很可能改变许多严重疾病的治疗方法。"麻省理工学院的干细胞专家Rudolf Jaenisch说。

站在最前沿

克莱夫觉得很幸运。作为一名基础生物学家，他从不考虑与实际应用相关的问题。"我通常被好奇心驱使。"他说，“25年来，我们发表的论文对这个星球上的任何人都没有实际意义。”

那是一个阳光明媚的夏日早晨，克莱夫斯正在举行一次实验室简报会。当时，一名博士后学生展示了她为研究小细胞肺癌开发的一种器官样模型。另一个人报道了利用人类肠道组织培养激素分泌器官的进展。

每当克莱夫斯对他们的研究问题感到气馁时，他就会鼓励他们更加雄心勃勃:“你为什么不去追求你不知道的东西？”

"汉斯有能力提出不会被预期答案污染的问题。"乌得勒支大学医学中心(UMCU)儿科主任爱德华·尼文胡说。"他的鼻子比大多数人更灵敏，能嗅出有趣的东西。"荷兰内政大臣罗纳德·石膏说。从2002年到2007年，他是克莱夫斯实验室的联合主任。

器官样细胞是在实验室用干细胞培养的多细胞结构。肉眼看来，这些比芝麻小的小球似乎是不规则聚集的细胞。然而，当它们被放在显微镜下时，类似的器官有非常复杂的结构:肾脏中有微小的小管，大脑皮层或肠道中有细微的褶皱。虽然它们不是真正的器官，但它们的功能和生理反应是相似的。

事实上，早在20世纪初，胚胎生物学家就发现海绵细胞完全分散后可以重新结合。但是相关的研究很快就被遗忘了。直到2008年，日本研究人员成功地利用小鼠和人类胚胎干细胞产生类似大脑皮层的分层细胞群。因此，研究人员开始尝试用胚胎干细胞来培养各种组织和器官。

经过近10年的长期实验，克莱夫斯博士后尼克·巴克(Nick Barker)在2007年挖掘了一个金矿:他发现小鼠肠道中携带LGR5受体的细胞可以发育成所有肠道细胞类型，Wnt信号通路中的分子发出信号来分裂这些细胞。

巴克后来发现，其他器官中的LGR5阳性细胞也是如此。在像肝脏这样的器官中，这些细胞通常是活跃的，但它们只有在组织受损时才会增殖。

当时，尽管干细胞培养仍然很困难，但克莱夫斯实验室的另一位博士后研究员佐藤俊弘(Toshiro Sato)调节了生长因子混合物，以诱导肠干细胞在培养皿中复制。几个月后，研究人员在显微镜下看到的不仅仅是细胞团。

这些肠干细胞开始分裂并产生各种细胞，并形成一个有孔的球形结构。他们还在这个球形结构中发现了一个类似于肠绒毛和隐窝的结构。“它看起来完全像肠组织。它真的很美。”佐藤回忆道，他目前在日本庆应大学工作。

然而，相关论文在发表前被多次拒绝。克莱夫斯回忆道:“没有人相信这是真的。”该论文的另一位作者，Meritxell Huch也说，“这是一个激动人心的时刻，我们站在了最前沿。”

激流

其他实验室也在竞相开展类似器官的培养研究。就在Clevers等人的论文于2009年发表之前，斯坦福大学卡尔文·郭实验室的博士后研究员阿基夫米·乌塔尼使用了其他策略来培养类似器官的生物。郭用组织碎片代替单个干细胞，将样本放入凝胶中，并将其一部分暴露于空气中，而不是完全浸入营养液中。

大约在同一时间，日本理化研究所的佐佐井义树利用胚胎干细胞开发了第一个类似大脑的器官。其他研究人员也使用诱导多能干细胞来培养器官样细胞。

2017年，美国辛辛那提儿童医院的研究人员利用人类多能干细胞培养肠道样组织，并在其中添加了这种生长因子，成功激活了与身体结构相关的基因编码，促进细胞发育，形成结肠“器官样”。在移植小鼠中发育6至10周后，“器官样”的形态、结构、分子和细胞特征与人类结肠相似。

这些不同的方法各有优缺点。郭氏器官样器官含有多种细胞类型，可以“观察肌肉收缩等高阶行为”，更适合用于研究免疫治疗和其他治疗的靶向基质。克莱夫的器官主要由上皮细胞组成，所以他的技术对大脑和其他没有上皮细胞的器官没有影响。他的器官不能用来测试药物对抗血管或免疫系统

然而，与真正的器官相比，微型器官仍然非常粗糙。此外，小器官缺乏血管系统，所以它只能永远处于一种微小而简单的状态。科学家还未能培育出任何接近实际大小的外部器官。

然而，研究人员认为，类似器官的出现至少为他们未来的努力指明了方向，他们的长期目标是尽可能在功能上取代人体器官。

无论如何，克莱夫斯说他从“发现新事物的满足感”中获得了很高的“满足感”甚至最近的实验表明，当一个器官缺乏LGR-5阳性细胞时，分化的细胞可能“去分化”并修复组织。"一些器官可能根本没有专门的干细胞."克莱夫斯说。

但是当被问及当他看到自己的发现对费边和范德黑登这样的病人有很大好处时，他的感觉如何时，克莱夫斯只是说，“我没有想到这一点。”(张张编)