那是在十一月一個再普通不過的日子，當時瑪德琳·蘭卡斯特意識到她意外地培養出了一個大腦。幾周以來，她一直試圖讓人的胚胎幹細胞形成神經玫瑰花結，即可以變成多種不同型別神經元的細胞簇。但由於某種原因，她的細胞拒絕粘附在培養皿的底部。相反，它們漂浮起來，形成奇怪的、乳白色的球體。
“我真的不知道它們是什麼，” 蘭卡斯特說，她當時是維也納分子生物技術研究所的博士後。然而，在2011年的那一天，她在其中一個球體中發現了一個奇怪的色素點。在顯微鏡下觀察，她意識到那是發育中視網膜的黑色細胞，是發育中大腦的突出部分。當她切開其中一個球時，她可以挑出各種各樣的神經元。蘭卡斯特意識到，這些細胞已經自組裝成了一些明顯像胚胎大腦的東西，她直接去找了她的導師，幹細胞生物學家于爾根·克諾布利希，告訴了他這個訊息。“我得到了一些驚人的東西，”她告訴他。“你一定要看看。”
蘭卡斯特和她的同事並不是第一個在培養皿中培養大腦的人。2008年，日本的研究人員報告說，他們已經促使小鼠和人類的胚胎幹細胞形成類似於大腦皮層的分層球體。從那時起，將幹細胞培育成基本器官的努力蓬勃發展。世界各地的研究人員使用經過精心定時的化學訊號，已經產生了類似於眼睛、腸道、肝臟、腎臟、胰腺、前列腺、肺、胃和乳房組織的3D結構。這些被稱為類器官的組織片段，因為它們模擬了真實器官的某些結構和功能，正在促進對人類發育的瞭解，作為疾病模型和藥物篩選平臺，並最終可能用於拯救受損器官（參見“類器官庫”）。英國劍橋大學惠康信託/醫學研究委員會幹細胞研究所主任奧斯汀·史密斯說：“這可能是過去五六年幹細胞領域最重大的發展。”
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不斷擴充套件的微型器官培養領域
器官
目前的類器官並不完美。有些缺乏關鍵的細胞型別；另一些只模仿器官發育的最早期階段，或者批次之間存在差異。因此，研究人員正在努力改進他們的類器官——使它們更復雜、更成熟、更具可重複性。儘管如此，生物學家們對細胞在幾乎不需要鼓勵的情況下就能自組裝成精細結構感到驚訝。“這不需要任何超級複雜的生物工程，”克諾布利希說。“我們只是讓細胞做它們想做的事情，它們就製造出了一個大腦。”
培養腸道
澳大利亞昆士蘭大學的分子生物學家梅麗莎·利特爾說，這不應該是一個重大的驚喜。“胚胎本身就具有令人難以置信的自組織能力；它不需要模板或地圖。”自從1900年代初期，胚胎學家表明，被分解成單個細胞的海綿可以重新組裝自己以來，這一點就為人所知。但是，這類工作已經過時，現代生物學家已將注意力集中在純化細胞並在培養物中培養它們上——通常是在扁平層中，這對模仿正常人體組織幾乎沒有作用。
加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的癌症研究員米娜·比塞爾說，研究這些細胞以瞭解器官如何運作，就像研究一堆磚塊以瞭解房屋的功能一樣。“我們應該開始建造房屋，”她說。比塞爾對乳腺細胞培養物的研究有助於傳播這樣一種觀點，即細胞在3D培養物中的行為與在傳統的扁平培養物中不同。到2000年代中期，這個想法開始流行起來。日本神戶市理化學研究所發育生物學中心的幹細胞生物學家笹井芳樹推動了這股熱潮，他培養出了大腦皮層，隨後是基本的視杯和垂體（參見《自然》雜誌 488, 444–446; 2012）。
在笹井宣佈他的分層皮層僅僅一年後，荷蘭烏得勒支Hubrecht研究所的幹細胞研究員漢斯·克萊弗斯報告了迷你腸道的建立。這一突破源於2007年的一項發現，當時克萊弗斯和他的同事在小鼠體內發現了腸道幹細胞。在體內，這些細胞似乎具有無限的分裂和補充腸道內壁的能力，克萊弗斯的一位博士後研究員，佐藤俊郎，負責在實驗室中培養它們。
這對搭檔沒有將細胞扁平培養，而是決定將它們嵌入基質膠中，這是一種類似於細胞外基質的柔軟凝膠，即包圍細胞的分子網。“我們只是在嘗試各種方法，”克萊弗斯說。“我們希望我們可能會製造出一個球體或一團細胞。”幾個月後，當克萊弗斯將眼睛放在佐藤的顯微鏡上時，他看到了不僅僅是一團團的東西。細胞分裂了，分化成多種型別，並形成了空心球體，球體上佈滿了瘤狀突起。在內部，該團隊發現了類似於腸道吸收營養的絨毛以及它們之間稱為隱窩的深谷的結構。“這些結構，令我們完全震驚的是，看起來像真實的腸道，”克萊弗斯說。“它們太漂亮了。”
2009年報道的迷你腸道可能被證明是精準醫療中的強大工具。克萊弗斯和他的團隊正在使用它們來研究藥物對囊性纖維化患者的療效，這些患者的基因缺陷會影響離子通道，並破壞肺和腸道內壁細胞中水分的進出。研究人員從患有該疾病的人身上採集直腸活檢，使用這些細胞建立個性化的腸道類器官，然後應用潛在的藥物。如果治療開啟離子通道，那麼水可以向內流動，腸道類器官就會膨脹。“這是一個黑白分明的分析，”克萊弗斯說，這可能比在人體內試驗藥物以檢視它們是否有效更快、更便宜。
他已經使用該系統評估了一種名為Kalydeco（ivacaftor）的藥物以及其他5種囊性纖維化藥物是否對大約100名患者有效；至少其中2人現在正在服用Kalydeco。
類器官也可能幫助醫生為癌症患者選擇最佳療法。今年早些時候，克萊弗斯透露，他已經從結直腸腫瘤細胞中培養了一個類器官庫，紐約冷泉港實驗室的癌症研究員大衛·圖韋森與克萊弗斯合作，使用從胰腺癌患者身上採集的活檢組織生成胰腺類器官。在這兩種情況下，類器官都可以用於找到對特定腫瘤最有效的藥物。“患者正在尋找一種合乎邏輯的癌症治療方法，”圖韋森說。“我對我們正在學習的東西感到非常興奮。”
小規模胃部
這種興奮感也為發育生物學家詹姆斯·威爾斯所共有，他去年報告說，他和他的團隊創造了一種類似於人類胃部一部分的類器官。
威爾斯使用的原材料與克萊弗斯不同，克萊弗斯的類器官來自成人幹細胞，成人幹細胞只能產生有限數量的細胞型別。威爾斯在俄亥俄州辛辛那提兒童醫院醫療中心工作，他和他的同事們用胚胎幹細胞製造類器官，胚胎幹細胞具有變成幾乎任何型別細胞的能力。因此，他們已經能夠創造出更復雜的迷你器官。
十年前，威爾斯和他的同事開始嘗試誘導人的胚胎幹細胞形成腸道細胞。當該團隊操縱兩個關鍵的訊號通路時，產生的細胞層出現了微小的圓形芽。威爾斯注意到，這些“球狀體”模仿了原始腸管的橫截面，原始腸管在受孕後四周形成。這令人興奮，因為他意識到他現在有了一個起點，可以從中開發各種類器官。“從你的嘴巴到你的肛門——食道、肺、氣管、胃、胰腺、肝臟、腸道、膀胱——所有器官都來自這個非常原始的管道，”他說。
威爾斯和他的同事們查閱了文獻和他們自己的經驗，以確定哪些化學訊號可能會引導這些腸管沿著發育路徑走向特定的器官。使用這種策略，該團隊在2011年開發了他們的第一個人類類器官，一個大約芝麻大小的腸道。但是培養胃是一個更大的挑戰。在人類中，該器官有兩個關鍵區域：頂部的胃底，產生酸，以及底部的胃竇，產生許多關鍵的消化激素——而導致兩者之一的訊號通路尚不清楚。此外，“人類的胃與我們在實驗室中使用的大多數動物的胃不同”，因此沒有好的動物模型，威爾斯的前研究生、現為中心醫學生的凱爾·麥克拉肯說。
研究人員採用了一種反覆試驗的方法：他們做出了一些有根據的猜測，並費力地測試了生長因子的不同組合。最終，努力得到了回報。在2014年的一篇論文中，威爾斯和他的團隊透露，他們已經創造了類似於胃竇的類器官。該團隊表示，使用這些類器官作為模型系統，他們已經弄清楚了促使胃底發育的化學觸發因素。現在，研究人員正在努力回答關於胃發育和生理學的其他基本問題，例如哪些因素調節酸分泌，並且他們正在嘗試從他們的原始腸管中產生其他迷你器官。
劍橋大學格登研究所的發育遺傳學家丹尼爾·聖約翰斯頓對這種新發現的檢查人類發育的能力感到興奮。“你實際上可以觀察細胞如何組織自身以形成複雜的結構，”他說——這在人類胚胎中是不可能的。但他表示，大多數類器官仍然是單一組織，這限制了發育生物學家可以學到的東西。“有些問題你真的無法解決，因為它們取決於整個生物體的生理機能。”
嬰兒腎臟
梅麗莎·利特爾花了十多年的時間驚歎於腎臟的複雜性。“它在一個成年人體內，可能有25-30種不同的細胞型別，每種都做著不同的工作，”她說。稱為腎單位的管狀結構從血液中過濾液體併產生尿液。周圍的空間，稱為間質，容納著複雜的血管網路和輸送尿液的管道。
2010年，利特爾和她的同事開始嘗試將胚胎幹細胞轉化為產生腎單位的祖細胞。在三年時間裡，他們嘗試了生長因子的各種組合和時機。“真的花了很多精力去摸索才能取得進展，”她說。但最終，在2013年，該團隊找到了恰到好處的混合物。利特爾一直致力於僅產生祖細胞。但是當她觀察培養皿時，她看到了兩種細胞型別自發地按照它們在胚胎中的方式進行模式化。“那一刻，我心想，‘哇。這不是很神奇嗎？’”她說。
這種類器官類似於胚胎腎臟而不是成人腎臟：它混合了腎單位祖細胞和產生集尿管的細胞。“如果你想讓它們進一步成熟，那才是真正的挑戰所在，”利特爾說。因此，她的團隊一直在努力培養更復雜的版本——帶有血管和間質。然後希望是將迷你器官移植到小鼠體內，看看它們是否會成熟併產生尿液。“我對我們能構建的東西感到非常興奮，”利特爾說。
由於腎臟在藥物代謝和排洩中起著關鍵作用，利特爾認為她的迷你腎臟可能有助於在藥物候選物進入臨床試驗之前測試其毒性。研究人員表示，其他人類類器官，如心臟和肝臟，也可能類似地用於篩選藥物候選物的毒性作用——與標準組織培養或動物試驗相比，可以更好地瞭解器官的反應。
但紐約哥倫比亞大學的幹細胞研究員邁克爾·沈對這些模型系統能夠完全取代實驗動物持懷疑態度。例如，動物可以顯示療法如何影響免疫系統，這是類器官系統目前無法做到的。“你希望能夠在體內系統中驗證你的實驗結果，”他說。“我認為這是一個嚴格的測試。”
小肝臟
竹部孝典在紐約經歷了一段令人不寒而慄的時期後，受到了培養肝臟的啟發。2010年，在哥倫比亞大學器官移植部門工作期間，竹部看到人們因缺乏器官而死於肝功能衰竭。“那是一個悲傷的局面，”他說。當他研究組織工程時，他認為通常的方法——將細胞播種到人工支架上——註定要失敗。他說，部分問題在於成人肝細胞非常難以培養。“我們甚至無法在培養物中維持它幾個小時。”
竹部在日本橫濱市立大學擔任研究職位，他決定研究誘導多能幹（iPS）細胞，這是一種被重新程式設計為像胚胎幹細胞一樣行為的成人細胞。他誘導人的iPS細胞形成肝細胞前體，或肝母細胞。在胚胎中，肝母細胞依賴於來自附近其他細胞的複雜訊號交響曲才能成熟，竹部懷疑這些支援細胞對於在培養皿中發育肝臟也是必要的。他和他的同事將肝母細胞與這些細胞（稱為間充質細胞和內皮細胞）混合在一起，結果奏效了。該團隊成功地創造了“肝芽”，這是一種不大於小扁豆的結構，類似於六週大的人類胚胎的肝臟。研究人員繼續發現，與成熟的肝細胞不同，這種結構可以在培養物中存活長達兩個月。
肝芽與整個肝臟（一個由數百億個肝細胞組成的巨大、多葉器官）仍然相去甚遠。但竹部希望，如果他可以將數千個肝芽注入衰竭的器官，他或許能夠挽救其足夠的功能，從而使移植變得不必要。這個過程似乎在小鼠身上有效。當竹部和他的小組將十幾個肝芽移植到小鼠腹部時，他們看到了戲劇性的效果。在兩天內，肝芽與小鼠的血液供應連線起來，細胞繼續發育成成熟的肝細胞，這些肝細胞能夠製造肝臟特異性蛋白質並代謝藥物。為了模擬肝功能衰竭，該團隊用一種有毒藥物消除了動物的自然肝功能。一個月後，大多數對照組小鼠死亡，但大多數接受肝芽移植的小鼠存活了下來。
竹部和他的團隊希望在四年內開始人體試驗。“我們將針對那些急需肝移植的兒童，”他說。他和他的同事目前正在努力使肝芽更小，並大量生產它們，以便可以透過供應肝臟的大門靜脈輸注。竹部認為時間表是“可行的”。但史密斯表示，這個過程似乎過於倉促，這些器官的基本生物學特性需要在臨床使用之前得到充分了解。“這就像還沒學會走路就想跑，”他說。
生物學家們知道，他們的迷你器官仍然只是其真人大小的對應物的粗糙模仿。但北卡羅來納州溫斯頓-塞勒姆維克森林再生醫學研究所主任安東尼·阿塔拉說，這給了他們一個目標。“長期目標是，你將能夠複製更多人類器官的功能。”該領域已經彙集了發育生物學家、幹細胞生物學家和臨床科學家。現在的目標是構建更精細的器官——更大、整合更多細胞型別的器官。
威爾斯說，即使是今天的基本類器官也在促進那些在動物模型中難以實現的發現，在動物模型中，分子訊號很難操縱。“在培養皿中，這很容易，”他說。“我們有化學物質和蛋白質，我們可以直接傾倒在這些細胞上。”
本文經許可轉載，並於2015年7月29日首次發表。