迷你器官 小中见大

2017-03-22 14:10:00宝码网整理

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科学家在实验室培养出胃部类器官。图片来源:Taylor Broda

肉眼看上去,这些比芝麻粒还小的小球似乎就是细胞无规则地聚集在一起。但将它们放到显微镜下,这些实验室中培养的迷你器官却有着十分复杂的结构:肾脏上有微小的细管,大脑皮层或肠道内有精妙的褶皱。

现在,借助3D细胞培养技术,科学家已经能够在实验室里制造出多种类器官,包括肝、胰、胃、心、肾,甚至是乳腺等等。近日,《发育》杂志以专刊的形式回顾了这一领域的最新发展,提到这些迷你器官在体外模拟疾病过程以及测试药物方面有着广泛的用途。

类器官是真实器官的缩影吗?很难说。这些细胞球在结构上可以模仿出许多脏器内部的精细结构,不过,它们和真正的人体器官有许多不同之处,其中最重要的不同在于这些迷你器官缺乏血管系统,而血液对于人体器官的生长发育和正常功能都是必不可少的。

因此,类器官只能永远处于迷你和简单状态,科学家还无法培育出任何接近实际大小的体外器官。但他们仍从二维细胞培养迈出了一大步,现在的类器官可以模拟器官形成的最早期过程,同时可以用于研究诸如基因突变等因素如何影响正常器官的功能。

如何培养一个类器官?目前的类器官培养技术主要使用干细胞,通过模拟人体发育的环境诱导干细胞分化成一个器官内不同类型的细胞,并形成器官的基本结构。但干细胞的来源对于形成的类器官有很大影响。

一些科研人员使用多能干细胞——包括胚胎干细胞和从体细胞诱导而成的多能干细胞,这些细胞理论上能分化成体内任何一种细胞。由于这些类器官重新制定了器官在最初数周和数月内的生长,因此它们能帮助研究人员识别这些过程中出现的“小故障”,例如导致肠道中缺乏某些重要细胞的基因突变。

“你能看到先天性缺乏在自己眼前的培养皿中发生。”美国辛辛那提儿童医院发育生物学家James Wells说。

此外,这些类器官对于神经系统学研究非常有用。例如,在寨卡病毒研究中,科学家研究了病毒对于迷你大脑的影响,发现病毒能拦截并杀死神经前体细胞,从而减缓大脑发育,导致新生儿小头症的出现。

另外一些类器官使用了成体干细胞,通常这些分离自器官组织的干细胞能在脏器受损时帮助修复。这些细胞产生的迷你器官结构较为简单,但仍然能够被用于器官研究。通过这种方法产生的迷你肝、胃、小肠和胰等器官对于研究遗传差异对器官机能的影响和测试药物有很大帮助。

那么对于类器官的预测准确吗?在药物作用机理研究中,至少一种类器官已经证明了其价值。荷兰Hubrecht研究所干细胞生物学家Hans Clevers和同事,从囊性纤维化患者身上获取小肠细胞并培养出了迷你小肠。当对这个迷你小肠使用福泰制药公司开发的新药后,小肠黏膜的盐、水吸收功能得以恢复,也没有引起炎症反应。

不过,也有人对此表达了谨慎的看法,他们认为类器官能在多大程度上模拟真实器官尚不清楚。使用迷你大脑研究寨卡病毒的美国约翰斯·霍普金斯大学神经学家Guo-Li Ming认为,迄今为止,类器官缺乏免疫系统,因此在筛选针对病毒的药物时,无法完全复制体内的真实情况。

而且,该领域还面临另一个重大挑战:标准化。让干细胞自我组装,将形成具有各种各样形状和细胞类型的类器官。特刊上的一篇文章提出一种排列肠道细胞培养物的方法,以便制备出更统一、成熟的类器官。

类器官能用作器官移植吗?至少现在还不行。研究人员希望终有一天迷你器官能被植入人体,重新发育或修复器官。科学家已经成功将迷你肝脏和小肠植入小鼠体内并发育。而且,Wells等人已经使用实验室培养的组织治疗早产儿感染导致的肠道损伤。但由于无法在实验室培养更大的肠道,因此科学家在探索如何在患者腹部培养一个类器官,然后将它接入肠道。

“类器官距离人体器官移植可能至少还有10年。”Wells说,但如果回到10年前,根本无法想象人们能在培养皿内长出这些迷你器官。

(张章编译)

《中国科学报》 (2017-03-22 第3版 国际)

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