生物学家建立“类器官”库了解人体发育

在11月的一个不寻常的日子里，玛德琳·兰卡斯特突然意识到她意外地开发了一个大脑。几个星期以来，她一直试图利用人类胚胎干细胞形成神经丛——一种可以生长成许多不同神经元的细胞丛。然而，由于某些原因，这些细胞不能附着在培养皿的底部。相反，它们一直在漂浮，形成一些奇怪的乳状球体。

“我不知道它们是什么。”兰卡斯特当时是奥地利维也纳分子生物技术研究所的博士后研究员，他说。那是2011年的一天，她在其中一个球体里看到了一些奇怪的颜料。在显微镜下观察后，她意识到这是一个正在发育的视网膜黑细胞——发育中的大脑的一个分支。当她打开其中一个球体时，她发现了许多不同种类的神经元。兰卡斯特意识到这些细胞已经自发地形成了胚胎脑组织，她直接把这个消息告诉了她的导师，干细胞生物学家于尔根·克诺布里奇。“我发现了一些令人震惊的现象。你一定要来看看他们。”她说。

事实上，兰卡斯特和他的同事并不是第一个在培养皿中培养大脑的团队。2008年，日本研究人员报告称，他们利用大鼠和人类的胚胎干细胞制造类似大脑皮层的分层球体。从那以后，利用胚胎干细胞来培养器官的原始形式变得越来越流行。利用精心计时的化学线索，世界各地的研究人员已经开发出类似于眼睛、肠、肝、肾、胰腺、前列腺、肺、胃、乳房和其他器官的三维微组织。这些组织被称为“类器官”，因为它们模拟真实器官的结构和功能，提高对人类生长和发育的理解，并可用作疾病模型和药物检测平台，甚至最终取代受损器官。“这可能是过去五六年来干细胞领域最重要的发展。”剑桥大学韦尔科姆基金会/MRC干细胞研究所主任奥斯汀·史密斯说。

培养肠道

这并不奇怪。澳大利亚昆士兰大学的分子生物学家梅利莎·利特尔说:“胚胎干细胞具有难以置信的自组织能力，不需要任何模板或地图。”早在20世纪初，当胚胎学家证明海绵在被切割成单细胞后可以自我繁殖时，科学家们就认识到了这一点。

加州劳伦斯·伯克利国家实验室的癌症研究专家米娜·比斯尔说，研究细胞以了解整个器官是如何工作的就像研究一堆砖块以了解房子的功能一样。"我们刚刚开始建造这座房子。"她说。到21世纪第一个十年中期，相关研究开始兴起。受日本理化研究所发育生物学中心的干细胞生物学家林佳树·笹川的启发(林佳树·笹川首先发展了大脑皮层，然后发展了最初的视杯和脑垂体)，这一领域的研究热情逐渐高涨。

在方舒·笹川宣布培养分层大脑皮层的一年后，荷兰乌得勒支胡布雷希特研究所的干细胞专家汉斯·克莱夫斯报道了微小肠道的培养。这一突破源于2007年的一项发现，当时Clevers和他的同事在老鼠身上发现了肠干细胞。这些细胞似乎有无穷无尽的能力来分化和补充大鼠的肠粘膜。

克莱夫斯决定将这些细胞植入人工基底膜(一种柔软的胶状细胞外基质)。几个月后，他们发现细胞分化并形成各种形状，并生长成布满许多突起的中空球体。在球体内部，研究小组发现绒毛和隐窝之间有一个深沟，类似于肠道中吸收营养的深沟。“这些看起来像真正的肠子。它们非常漂亮。”克莱夫斯说。这篇发表于2009年的论文被证明是研究个性化医学的有力工具。Clevers和他的团队正在用它们来研究治疗囊性纤维化的药物。

微型胃

俄亥俄州辛辛那提儿童医学中心的发育生物学家詹姆斯·威尔斯也对相关研究感兴趣。去年，威尔斯和他的团队报告说，他们创造了一个类似人类胃的器官。

与克莱夫所用的原材料不同，威尔斯的器官样器官培养自体干细胞，这种干细胞只能产生有限数量的细胞类型。十年前，威尔斯和他的同事试图诱导人类胚胎干细胞形成肠细胞。当团队操纵两个关键的信号通道时，细胞层产生微小的圆形芽。威尔斯指出，这些“小球芽”与最初的肠道非常相似，后者是在女性怀孕四周时形成的。

这个发现让他非常兴奋，他意识到他已经找到了培养各种器官的起点。"从人类口腔到肛门的所有器官——包括食道、肺、气管、胃、胰腺、肝、肠和膀胱——都来自这个最初的肠道."

利用现有文献和先前的经验，威尔斯和他的同事开始决定哪些化学线索可能导致这些肠道向特定器官发展。

2011年，该团队开发了第一个人体器官——芝麻大小的肠。

在2014年的一篇论文中，威尔斯和他的团队揭示了他们与胃窦相似的器官。该团队表示，他们利用这一模型发现了形成细胞基质的化学触发器。现在，研究人员正在回答关于胃发育及其生理学的其他基本问题。如果是什么因素调节胃酸分泌，它们也在试图从原来的肠道产生其他微器官。

胚肾

梅利莎·利特尔花了10年时间研究肾脏的复杂性。在成人体内，这个器官大约有25到30种不同的细胞类型，每种细胞都有不同的功能她说。被称为“肾细胞”的管状结构负责从血液中过滤液体并产生尿液。被称为“小间隙”的周围空间有一个复杂的血管和输尿管网络。

2010年，利特尔和他的同事开始尝试将胚胎干细胞转化为能够产生肾单位的前体细胞。他们连续三年尝试各种组合。2013年，该团队终于找到了一个正确的细胞混合比例。然而，当她检查培养皿时，她发现这两个细胞自发形成了一种类似于胚胎形成的现象。“那一刻，‘哇，我震惊了’。”她说。

这种器官更像胚胎肾，而不是成熟肾:它由肾单位前体细胞和输尿管形成细胞混合而成。"如果你想让他们进一步成熟，这就是困难所在."少说。因此，她的团队一直在攻克如何生成一个更复杂的肾脏——一个有血管和间质的肾脏。

现在，他们希望将微小器官移植到老鼠身上，看看它们是否能够成熟并产生尿液。"我对我们能做的感到非常兴奋。"少说。因为这些肾脏在物质的新陈代谢和排泄中起着关键作用，她相信这些微小的肾脏可以在进行药物临床试验之前帮助测试候选药物的毒性。

微型肝脏

我在纽约的所见所闻让Takebe Takanori决定培养人工肝。2010年，在哥伦比亚大学器官移植系工作时，Takebe看到许多肝功能衰竭的人因为没有可移植的肝脏而死亡。“那种情况让人感到悲伤。”他说。在分析了组织工程研究后，他认为在人工支架上种植细胞的传统方法注定要失败，部分问题是成人肝细胞难以生长。“我们甚至不能把它们放在培养皿里两三个小时。”他说。

Takebe在日本横滨城市大学担任研究职务，他决定研究诱导多能干细胞——一种成年细胞，在重编程后可以像胚胎干细胞一样工作。他将人类诱导多能干细胞诱导成肝前体细胞(或肝母细胞瘤细胞)。在胚胎中，肝母细胞瘤细胞只有在其他邻近细胞的共同作用下才能成熟。Takebe怀疑这些支持细胞在皮氏培养皿中培养肝脏时也非常重要。他和他的同事将肝母细胞瘤细胞与这样的支持细胞(即间质细胞和血管内皮细胞)混合，结果开始生效。该团队开发了一种“肝芽”——人类胚胎的肝脏，小于小扁豆大小，已有近六周的历史。研究人员进一步发现，与成熟肝细胞不同，这些组织可以在培养皿中存活两个月。

肝芽离整个肝脏仍然很远，整个肝脏是一个更大的多叶器官，由数百个肝母细胞瘤组成。然而，Takebe想知道是否有可能将成千上万的肝芽融合成一个衰竭的肝脏器官，从而挽救肝脏的一些功能，并消除肝移植的需要。Takebe和他的团队希望在未来4年开始相关的人类临床研究。"我们的目标是急需肝移植的儿童."他说。

生物学家知道，这些微小的器官只是它们真实器官的最初模拟状态。但是这已经给了他们一些目标，北卡罗来纳州维科·弗罗斯特再生医学研究所主任安东尼·阿塔拉说。“我们的长期目标是复制越来越多人体器官的功能。”这个领域已经聚集了来自不同领域的研究人员，如发育生物学家、干细胞生物学家和临床医生。目前的目标是建立更好的器官——体积更大、包含更多细胞类型的器官。(红枫)