“醉心技术”系列之——培养皿中的人类器官-搜狐

　　秋蓉醉心科学

　　生命最大的奥秘之一在于我们都是从一个受精卵开始，最终发育成在空间和时间上由数十亿个细胞、上百个器官组成，同时又具备着内在运行精密调控而和谐有序的功能协同有机体；而每个器官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。

　　大自然的力量在让人赞叹和敬畏的同时，富有探险精神的人类不禁想偷窥其中的奥秘，是什么力量使得细胞能够组合成如此精妙的结构，同时又期待能在实验室内复制出体内的发育过程，从而在培养皿中打造一个个人类器官。而这一切也许会在不久的未来实现。

　　近年干细胞领域一大进展是发现在体外三维培养过程中，干细胞可以在特定诱导条件下自发形成和体内来源的组织或器官高度相似的多种人体类器官（organoid）结构，令人惊叹；而其未来的发展也让人无比期待。让我们一起来领略一下神奇的“人造器官”是如何构建的，以及其独特的应用魅力~

　　神奇的“海绵宝宝”

　　早在1907年，美国北卡罗来纳大学的Wilson在Science杂志上记录了这样一个现象。他发现海绵动物（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结构的团块细胞，而当这些团块细胞被分成小块放回自然水域环境中培养时，每一块又具备发育成一个完整的海绵动物的潜能。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。

　　1907年，Wilson关于神奇海绵宝宝的报道

　　细胞的自组装潜能

　　其实从上个世纪以来，科学家们一直很好奇体内细胞如何排列形成有序的组织和器官结构。为研究这个问题，科学家们除了潜心研究发育生物学外，还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人为的打散，然后再观察打散的细胞是否能重新聚合形成有序的生理结构。

　　1960年，Rockfeller研究所的Weiss和Taylor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第8天鸡胚的绒毛膜尿囊（chorio-allantoic membrane) 中。移植9天后进行解剖，他们发现这些移植入的单细胞群体非常神奇的又重新组成和体内发育器官非常类似的组织结构。这个实验很巧妙的证明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重新自发组合而形成和原先器官类似的组织结构，而这种潜能似乎来自细胞本身，和体外环境关系不大。

　　（下图为对该研究的报道）

　　1962年普林斯顿大学的Steinberg针对此现象提出differential adhesion hypothesis, 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。虽然该假说仍需得到进一步实验证明，后续的多个体外细胞聚集实验大都支持了该假说，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，具有糖结合能力的选凝素等，主要介导细胞与细胞，细胞与细胞外基质之间的接触。

　　接着科学家们发现当把一些具有某些分化能力的细胞在三维培养条件下培养时，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。1987年，伯克利的Bissell等人发现乳腺上皮细胞培养在Matrigel中时能形成小管状立体结构。同年丹佛大学的Jennings发现肺泡上皮细胞在Matrigel中也能形成类似结构。Matrigel为一种从富含胞外基质蛋白的EHS小鼠肿瘤中提取出基底膜基质，主要成分包含层粘连蛋白、IV型胶原、巢蛋白、硫酸肝素糖蛋白，还包含生长因子和基质金属蛋白酶等，给细胞提供了一种有机的三维培养环境，是常用的一种三维培养基质。这些在matrigel中形成的管状立体结构便是类器官最初的雏形。

　　干细胞来源的类器官

　　前面的研究虽然发现细胞有着神奇的自我聚集和分类排列的潜能，也在体外培养中得到一些3D的立体结构，但这些结构相对比较单一。从上世纪末开始干细胞领域的发展使得多种干细胞在实验室成功分离或获得，而由于干细胞具有强大的自我更新和分化潜能，因而给体外类器官培养提供了最佳的种子细胞。

　　之后干细胞来源的类器官培养便取得了令人瞩目的快速进展。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，指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞，具有一定自我更新并且能够定向分化形成组成该类型组织的细胞。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。

　　多能干细胞包括胚胎干细胞（1998年，美国威斯康星大学的Thomason等首次从人类囊胚中分离建立了人胚胎干细胞系）和诱导性多能干细胞（2006年日本科学家Shinya Yamanaka通过转录因子介导的重编程成功从终末分化的体细胞得到诱导性多能干细胞）。

　　虽然当时也经历了很多的摸索，但现在看来从干细胞到类器官的体外培养简单的让人惊叹。典型的培养方法就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(如Matrigel)上，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，对介导参与特定器官形成的信号通路进行调节。在这样简单的培养环境下，干细胞经由定向分化和自组装便能自发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RIKEN发育生物学研究中心的Sasai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（Yoshiki Sasai 由于在小保方晴子STAP事件中受到影响于2014年自杀，实在令人痛惜！）；

　　图为：2008年，Sasai实验室从多能干细胞培养出的类似大脑皮层结构的分层球体。

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

　　2009年荷兰乌德勒支大学的Clevers研究组从肠道成体干细胞培养出类似肠道绒毛(villi)和隐窝（crypts）的肠道类器官；

　　图为：2009年，Clevers实验室从肠道成体干细胞培养出的肠道类器官。Nature. 2009 May 14;459(7244):262-5.

　　2011年俄亥俄州辛辛那提儿童医学中心的Wells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Sasai研究组分别从小鼠和人的多能干细胞培养出视杯结构（optic cups）；

　　图为： 2011年，Sasai实验室从多能干细胞培养出视杯三维结构。Nature. 2011 Apr 7;472(7341):51-6.

　　2013年，奥地利维也纳的分子生物技术研究所（IMBA）的Knoblich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；

　　图为：2013年，Knoblich实验室从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。Nature. 2013 Sep 19;501(7467):373-9.

　　日本横滨市立大学的Taniguchi 实验室由多能干细胞培养出微型肝脏类器官；

　　图为：2013年，Taniguchi 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Little等实验室由多能干细胞培养出微型肾脏类器官。而目前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。虽然现在实验室培养出的类器官体积和结构上仍然和体内器官由很大差距，类器官的血管化和神经化、免疫细胞的加入等方面仍需要很深入的研究，但是这些类器官的出现为科学家最终在实验室培养出人类器官指明了努力的方向。

　　图为：2015年，Little等实验室由多能干细胞培养出微型肾脏类器官。 Nature. 2015 Oct 22;526(7574):564-8.

　　类器官的用途有哪些

　　图为;2016年，体外培养的大脑类器官被用来研究塞卡病毒感染。Cell. 2016 May 19;165(5):1238-54.

　　这些在实验室培养的类器官具有令人十分期待的应用前景。首先，体外从干细胞到类器官的形成过程提供了一个独特的细胞平台用于发育生物学的研究；同时，具有病人致病遗传背景的类器官可作为很好的疾病模型用于致病的分子机制研究；而由于干细胞强大的增殖能力，人们可以得到大量的“疾病状态”类器官用于针对性的药物筛选和毒理检测；