「醉心技術」系列之——培養皿中的人類器官

生命最大的奧秘之一在於我們都是從一個受精卵開始，最終發育成在空間和時間上由數十億個細胞、上百個器官組成，同時又具備著內在運行精密調控而和諧有序的功能協同有機體；而每個器官由多種細胞有序組成，具有精妙獨特的內部結構和複雜的功能。

大自然的力量在讓人讚歎和敬畏的同時，富有探險精神的人類不禁想偷窺其中的奧秘，是什麼力量使得細胞能夠組合成如此精妙的結構，同時又期待能在實驗室內複製出體內的發育過程，從而在培養皿中打造一個個人類器官。而這一切也許會在不久的未來實現。

近年幹細胞領域一大進展是發現在體外三維培養過程中，幹細胞可以在特定誘導條件下自發形成和體內來源的組織或器官高度相似的多種人體類器官（organoid）結構，令人驚嘆；而其未來的發展也讓人無比期待。讓我們一起來領略一下神奇的「人造器官」是如何構建的，以及其獨特的應用魅力~

神奇的「海綿寶寶」

早在1907年，美國北卡羅來納大學的Wilson在Science雜誌上記錄了這樣一個現象。他發現海綿動物（一種多孔濾食性生物體）在實驗室一定培養條件下會去分化而形成缺乏典型結構的團塊細胞，而當這些團塊細胞被分成小塊放回自然水域環境中培養時，每一塊又具備發育成一個完整的海綿動物的潛能。這個發現提示海綿中某些去分化的細胞能在一定培養條件下自發形成新的具有有序結構的個體。

1907年，Wilson關於神奇海綿寶寶的報道

細胞的自組裝潛能

其實從上個世紀以來，科學家們一直很好奇體內細胞如何排列形成有序的組織和器官結構。為研究這個問題，科學家們除了潛心研究發育生物學外，還採取了一個簡單直接的實驗策略。他們在體外培養皿中把組織器官中的細胞進行人為的打散，然後再觀察打散的細胞是否能重新聚合形成有序的生理結構。

1960年，Rockfeller研究所的Weiss和Taylor從8到14天的雞胚中取出的腎、肝臟和皮膚，打碎、經酶消化並通過濾膜過濾去除團塊後，將得到的單細胞群體移植到第8天雞胚的絨毛膜尿囊（chorio-allantoic membrane) 中。移植9天後進行解剖，他們發現這些移植入的單細胞群體非常神奇的又重新組成和體內發育器官非常類似的組織結構。這個實驗很巧妙的證明來自某個特定器官或組織的細胞群體具有某種內在的潛能可以重新自發組合而形成和原先器官類似的組織結構，而這種潛能似乎來自細胞本身，和體外環境關係不大。

（下圖為對該研究的報道）

1962年普林斯頓大學的Steinberg針對此現象提出differential adhesion hypothesis, 即細胞群體中不同類型的細胞會根據本身不同的吸附特徵進行組合，具有相似吸附特徵的細胞類型更傾向於聚集在一起，從而形成熱力學上最穩定的狀態。雖然該假說仍需得到進一步實驗證明，後續的多個體外細胞聚集實驗大都支持了該假說，並提示表達在細胞表面的吸附蛋白可能決定了細胞的吸附特徵。吸附蛋白是一類具有黏附能力的蛋白質，如整聯蛋白、鈣黏著蛋白，具有糖結合能力的選凝素等，主要介導細胞與細胞，細胞與細胞外基質之間的接觸。

接著科學家們發現當把一些具有某些分化能力的細胞在三維培養條件下培養時，這些細胞能進一步分化，同時分化後的細胞能自發組合起來，形成某種有序的結構。1987年，伯克利的Bissell等人發現乳腺上皮細胞培養在Matrigel中時能形成小管狀立體結構。同年丹佛大學的Jennings發現肺泡上皮細胞在Matrigel中也能形成類似結構。Matrigel為一種從富含胞外基質蛋白的EHS小鼠腫瘤中提取出基底膜基質，主要成分包含層粘連蛋白、IV型膠原、巢蛋白、硫酸肝素糖蛋白，還包含生長因子和基質金屬蛋白酶等，給細胞提供了一種有機的三維培養環境，是常用的一種三維培養基質。這些在matrigel中形成的管狀立體結構便是類器官最初的雛形。

幹細胞來源的類器官

前面的研究雖然發現細胞有著神奇的自我聚集和分類排列的潛能，也在體外培養中得到一些3D的立體結構，但這些結構相對比較單一。從上世紀末開始幹細胞領域的發展使得多種幹細胞在實驗室成功分離或獲得，而由於幹細胞具有強大的自我更新和分化潛能，因而給體外類器官培養提供了最佳的種子細胞。

之後幹細胞來源的類器官培養便取得了令人矚目的快速進展。目前用於類器官培養的幹細胞主要分為兩大類：一類是成體幹細胞，指存在於一種已經分化組織中的未分化細胞，具有一定自我更新並且能夠定向分化形成組成該類型組織的細胞。另一類是多能幹細胞，比成體幹細胞具有更強的自我更新能力和更高的分化潛能，能分化出多種細胞組織。

多能幹細胞包括胚胎幹細胞（1998年，美國威斯康星大學的Thomason等首次從人類囊胚中分離建立了人胚胎幹細胞系）和誘導性多能幹細胞（2006年日本科學家Shinya Yamanaka通過轉錄因子介導的重編程成功從終末分化的體細胞得到誘導性多能幹細胞）。

雖然當時也經歷了很多的摸索，但現在看來從幹細胞到類器官的體外培養簡單的讓人驚嘆。典型的培養方法就是將分離的成體幹細胞或者多能幹細胞培養在一個支持介質(如Matrigel)上，提供一個三維生長的環境，同時在對體內器官發育的認識基礎上，在基質中添加特定的細胞因子，對介導參與特定器官形成的信號通路進行調節。在這樣簡單的培養環境下，幹細胞經由定向分化和自組裝便能自發形成具有和體內器官或組織很相似的類器官結構。

2008年，日本神戶RIKEN發育生物學研究中心的Sasai研究組從多能幹細胞成功培養出類似大腦皮層結構的分層球體（Yoshiki Sasai 由於在小保方晴子STAP事件中受到影響於2014年自殺，實在令人痛惜！）；

圖為：2008年，Sasai實驗室從多能幹細胞培養出的類似大腦皮層結構的分層球體。

Cell Stem Cell. 2008 Nov 6;3(5):519-32.

2009年荷蘭烏德勒支大學的Clevers研究組從腸道成體幹細胞培養出類似腸道絨毛(villi)和隱窩（crypts）的腸道類器官；

圖為：2009年，Clevers實驗室從腸道成體幹細胞培養出的腸道類器官。Nature. 2009 May 14;459(7244):262-5.

2011年俄亥俄州辛辛那提兒童醫學中心的Wells研究組從人多能幹細胞中培養出腸道類器官；同年以及隨後的2012年Sasai研究組分別從小鼠和人的多能幹細胞培養出視杯結構（optic cups）；

圖為：2011年，Sasai實驗室從多能幹細胞培養出視杯三維結構。Nature. 2011 Apr 7;472(7341):51-6.

2013年，奧地利維也納的分子生物技術研究所（IMBA）的Knoblich實驗室從人類多能幹細胞培養出具有人類大腦皮層中腦葉類似結構的大腦類器官；

圖為：2013年，Knoblich實驗室從多能幹細胞培養出具有人類大腦皮層中腦葉類似結構的大腦類器官。Nature. 2013 Sep 19;501(7467):373-9.

日本橫濱市立大學的Taniguchi 實驗室由多能幹細胞培養出微型肝臟類器官；

圖為：2013年，Taniguchi 實驗室由多能幹細胞培養出微型肝臟類器官。

2015年，澳大利亞昆士蘭大學的Little等實驗室由多能幹細胞培養出微型腎臟類器官。而目前已經報道能在體外通過幹細胞培養獲得的還包括肺、胃、甲狀腺、胰腺等多種類器官。雖然現在實驗室培養出的類器官體積和結構上仍然和體內器官由很大差距，類器官的血管化和神經化、免疫細胞的加入等方面仍需要很深入的研究，但是這些類器官的出現為科學家最終在實驗室培養出人類器官指明了努力的方向。

圖為：2015年，Little等實驗室由多能幹細胞培養出微型腎臟類器官。Nature. 2015 Oct 22;526(7574):564-8.

類器官的用途有哪些

圖為;2016年，體外培養的大腦類器官被用來研究塞卡病毒感染。Cell. 2016 May 19;165(5):1238-54.

這些在實驗室培養的類器官具有令人十分期待的應用前景。首先，體外從幹細胞到類器官的形成過程提供了一個獨特的細胞平台用於發育生物學的研究；同時，具有病人致病遺傳背景的類器官可作為很好的疾病模型用於致病的分子機制研究；而由於幹細胞強大的增殖能力，人們可以得到大量的「疾病狀態」類器官用於針對性的藥物篩選和毒理檢測；

圖為：類器官的應用前景。Nat Cell Biol. 2016 Mar;18(3):246-54.

藉助日新月異的生物工程學，多種類器官可以有機組合在微流體晶元上，提供高效的人體替代檢測平台，可用於藥物篩選、環境污染物毒性，甚至營養代謝等多種複雜的生理過程分析；當然，這些體外培養的器官未來可能成為重要的器官移植來源。功能很強大，值得關注！

「醉心科學」是由中國細胞生物學學會幹細胞生物學分會年輕科研工作者創辦的微信公眾號，希望為各領域科研人員提供專業的表達和交流平台，為大眾架設了解科學的橋樑。

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