培养皿中的人类器官

    【科学向未来】

    生命最大的奥秘之一，就是从一个受精卵开始，最终发育成由数十亿个细胞、上百个器官组成，内在运行受时空精密调控的有机体。今天，我们要说说人类器官。人类体内的每个器官都由多种细胞有序组成，具有精妙独特的内部结构和复杂的功能。人类一直试图搞清楚：是什么力量使细胞组合成如此精妙的结构？能不能人工复制这种结构？

从“海绵宝宝”说起：细胞神奇的自组装潜能

    早在1907年，美国北卡罗来纳大学的威尔森（Wilson）在《科学》杂志上记录了这样一个现象：海绵动物（一种多孔滤食性生物体）在实验室一定培养条件下会去分化而形成缺乏典型成体结构的团块细胞——简单地说，这个生物体“还原”到发育更早期的状态了。但神奇的是，当这些团块细胞被分成小块放回自然水域环境中培养时，每一块又能发育成一个完整的海绵动物。这个发现提示，海绵中某些去分化的细胞能在一定培养条件下，自发形成新的具有有序结构的个体。

    那么，结构更为复杂的高等动物的细胞有没有这种功能？

    为研究这个问题，科学家们采取了一个简单直接的实验策略——他们在体外培养皿中把组织器官中的细胞进行打散，然后观察被打散的细胞能否重新聚合，形成有序的生理结构。

    今天，我们已经知道，这就叫细胞的“自组装潜能”。但科学发展的过程曲折而多彩。1960年，洛克菲勒研究所的威斯和泰勒从8到14天的鸡胚中取出的肾、肝脏和皮肤，打碎、经酶消化并通过滤膜过滤去除团块后，将得到的单细胞群体移植到鸡胚的绒毛膜尿囊中生长。移植9天后他们解剖发现这些植入的单细胞群体非常神奇地又重新组成和体内发育器官非常类似的组织结构。

    这个实验巧妙地证明了科学家们的猜想：来自某个特定器官或组织的细胞群体具有某种内在的潜能，可以使它们重新自发组合形成和原先器官类似的组织结构，而潜能似乎来自细胞本身而和体外环境关系不大。

    1962年普林斯顿大学的斯坦伯格针对此现象提出differential adhesion hypothesis理论，即细胞群体中不同类型的细胞会根据本身不同的吸附特征进行组合，具有相似吸附特征的细胞类型更倾向于聚集在一起，从而形成热力学上最稳定的状态。

    之后，越来越多实验结果支持这一假说，并提示表达在细胞表面的吸附蛋白可能决定了细胞的吸附特征。吸附蛋白是一类具有黏附能力的蛋白质，如整联蛋白、钙黏着蛋白等，主要介导细胞与细胞、细胞与细胞外基质之间的接触。接下来，科学家们发现，当把一些具有一定分化能力的细胞放在三维环境培养时，这些细胞能进一步分化，同时分化后的细胞能自发组合起来，形成某种有序的结构。

最佳的“种子细胞”：干细胞“造”人类器官

    前面的研究，让人类对细胞的了解加深了很多，但这样形成的结构相对单一。干细胞领域的发展，给科学家带来了更多可能，干细胞也被称为体外类器官培养的最佳“种子细胞”。

    20世纪末以来，多种干细胞在实验室被成功分离或获得，它们具有强大的自我更新和分化潜能。目前用于类器官培养的干细胞主要分为两大类：一类是成体干细胞，通常指存在于已经分化组织中的未分化细胞，具有一定自我更新能力，并能够定向分化成组成该类型组织的终末分化细胞。另一类是多能干细胞，比成体干细胞具有更强的自我更新能力和更高的分化潜能，能分化出多种细胞组织，胚胎干细胞就是一种多能干细胞。

    科学发展经历了很多摸索，但现在回看，从干细胞到类器官的体外培养，简单得让人惊叹！典型的培养方法是将分离的成体干细胞或者多能干细胞培养在一个支持介质上，为干细胞提供一个三维生长的环境，同时在对体内器官发育的认识基础上，在基质中添加特定的细胞因子，对参与特定器官形成的信号通路进行调节。在这样的培养环境下，干细胞经由定向分化和自组装形成具有和体内器官或组织很相似的类器官结构。

    2008年，日本神户理化研究所发育生物学研究中心的笹井芳树研究组从多能干细胞成功培养出类似大脑皮层结构的分层球体；2009年荷兰乌德勒支大学的克里夫研究组从肠道成体干细胞培养出类似肠道绒毛和隐窝的肠道类器官；2011年俄亥俄州辛辛那提儿童医学中心的威尔士研究组从人多能干细胞中培养出肠道类器官；同年以及随后的2012年笹井芳树研究组分别从小鼠和人的多能干细胞培养出视杯结构；2013年，奥地利维也纳分子生物技术研究所的诺布里奇实验室从人类多能干细胞培养出具有人类大脑皮层中脑叶类似结构的大脑类器官；日本横滨市立大学的谷口实验室由多能干细胞培养出微型肝脏类器官；2015年，澳大利亚昆士兰大学的里特等实验室由多能干细胞培养出微型肾脏类器官……培养皿中“长出”的人类器官越来越多——已经报道能在体外通过干细胞培养获得的还包括肺、胃、甲状腺、胰腺等多种类器官。

    类器官具有令人十分期待的应用前景。

    ——从干细胞到类器官的体外形成过程可用于发育生物学的研究；

    ——从病人体内获得的干细胞，可以生成具有病人致病遗传背景的类器官，是能够用于致病分子机制研究的很好的疾病模型，并且可用于针对性的药物筛选和毒理检测；

    ——借助日新月异的生物工程学，多种类器官可以有机组合在微流体芯片上，形成简易的替代“人体”，提供高效的人体替代检测平台，用于药物筛选、环境污染物毒性，甚至营养代谢等多种复杂的生理过程分析。

    要承认的是，实验室培养出的还是只是“类器官”，其体积和结构仍然和体内器官有很大差距，在类器官的血管和神经化、免疫细胞的加入等方面仍需要深入研究，但这些类器官的出现为最终在实验室培养出人类器官指明了努力的方向。或许到了那天，人类将实现器官“定制”和“修补”，长生不老不再是梦！