生物學家“意外”培養迷你器官

　　 生物學家Hans Clevers坦言自己從未預料到其成果能惠及廣大病患。圖片來源：SANDER HEEZEN

　　50歲生日時，Els van der Heijden感覺身體更差了。她患有遺傳性囊胞性纖維化（CF），van der Heijden一直在努力與疾病作斗爭。但這位生活在一個荷蘭小鎮的女性，經常感到“烏云壓頂”。2015年，她開始感到疲勞，并喘不過來氣，她預感也許生命快終結了。

　　后來，她從報紙上讀到一篇文章，一個名叫Fabian同樣患有CF的孩子，他的生命是科學家從其結腸中提取組織樣本后培育的一個“微型器官”拯救的。醫生用這個小器官測試藥物伊伐卡托。該藥物非常昂貴，荷蘭保險公司拒絕在沒有證據顯示它能幫助CF患者的情況下進行報銷。

　　Fabian的CF是由一個極罕見的突變引起的，因此他沒有足夠的證據提供給保險公司。但研究顯示，他的迷你腸子對伊伐卡托出現了反應，而且他在服藥后幾個小時內癥狀就改善了。最終，他的保險公司同意報銷藥費。

　　類器官試藥

　　van der Heijden的醫生也為她做了一個迷你腸道，實驗顯示，它對一種名為Orkambi的藥物有反應。這種藥結合了伊伐卡托和另一種化合物魯馬卡托。在開始使用這種藥物組合后幾周內，“我充滿了能量，我第一次覺得身體就像它應該的那樣在運作。”她說。

　　而這項改變生命的技術是在Hubrecht研究所所長Hans Clevers的實驗室里開發出來的。

　　十多年前，Clevers就發現了一種腸道內的母細胞，可以產生所有其他的腸道細胞。在合適的條件下，他的團隊將這些細胞培育成一個3D、鉛筆尖大小的類腸道。它在功能上與腸道相似，并充滿了所有主要的細胞類型——這是一個類器官。

　　Clevers于2009年報道了這一成果，并表示這極有可能成為個體化醫療的有力工具。而這種個性化制作的迷你腸目前已被用于CF藥物測試。這種疾病是因為基因突變，導致離子通道障礙，破壞了肺部和腸道液體轉運。

　　研究人員把不同藥物加入到患者細胞培養出來的類器官中，如果藥物能夠打開離子通道，那么液體就能進入腸道內皮細胞，腸道類器官就會腫脹起來。Clevers表示，用腸道類器官開展藥物篩選工作要比對臨床患者進行臨床試驗更便捷，而且成本也更低。

　　這只是變革的開始。Clevers等人還培養了其他類器官，例如胃、胰腺、大腦和肝臟。由于易于操作，類器官能揭示組織是如何發展和修復損傷的。但許多研究人員說，最令人興奮的是，他們能以新方式對疾病進行建模。

　　研究人員正在從腫瘤細胞中提取材料制造類器官以模擬癌癥，并將特定的突變引入由健康組織制成的類器官中，研究癌癥是如何產生的。2015年，Clevers團隊與美國紐約冷泉港實驗室腫瘤學家David Tuveson團隊合作，用結腸癌腫瘤細胞培育了一批類器官，同時還用胰腺癌患者的活檢組織培育了胰腺類器官。這兩種類器官都可以用來篩選最佳抗癌藥物。

　　“這些類器官極有可能改變許多嚴重疾病的療法。”麻省理工學院干細胞專家Rudolf Jaenisch說。

　　站到了最前沿

　　Clevers覺得自己運氣極好。作為一個基礎生物學家，他從來沒有想過與現實應用有關的問題。“我通常受自己的好奇心驅動。”他說，“而且25年里，我們發表的論文對這個星球上的任何人都沒有實際意義。”

　　那是一個陽光明媚的夏日清晨，Clevers在開實驗室匯報會。當時，一個博士后展示了她為研究小細胞肺癌培養的一個類器官模型；另一個人則報告了利用人體腸組織培養激素分泌類器官的進展。

　　每當他們的研究問題讓Clevers感到不受鼓舞時，他就會鼓勵他們應更有雄心：“你為什么不去追求一些你不知道的東西呢?”

　　“Hans有能力提出一些不會被預期答案所污染的問題。” 烏得勒支大學醫學中心（UMCU）兒科主任Edward Nieuwenhu說。“他有一個比大多數人更靈敏的鼻子嗅探和尋找有趣的東西。”荷蘭內政大臣Ronald Plasterk說。他曾于2002年至2007年與Clevers擔任實驗室聯合主任。

　　類器官是用干細胞在實驗室里培育出的多細胞結構。肉眼看上去，這些比芝麻粒還小的小球似乎就是細胞無規則地聚集在一起。但將它們放到顯微鏡下，類器官卻有十分復雜的結構：腎臟上有微小的細管，大腦皮層或腸道內有精妙的褶皺。它們雖然不是真正意義上的器官，但功能和生理反應相似。

　　實際上，早在20世紀初，胚胎生物學家就發現，將海綿細胞完全分散后，它們還能重新聚集到一起。但相關研究很快被人遺忘了。直到2008年，日本科研人員就成功地利用小鼠和人胚胎干細胞培育出了類似大腦皮層的、有層次的細胞團。于是，科研人員就開始嘗試利用胚胎干細胞培育各種組織和器官。

　　在經歷了近10年的漫長實驗后，Clevers的博士后Nick Barker在2007年挖到金礦：他發現小鼠腸道內攜帶LGR5受體的細胞能發育成所有的腸道細胞類型，而Wnt信號通路中的分子會發出讓這些細胞分裂的信號。

　　之后，Barker發現其他器官中的LGR5陽性細胞也是如此。在肝臟等器官中，這些細胞通常具有活性，但只有當組織出現損傷時它們才增殖。

　　當時，雖然干細胞培養還很困難，但Clevers實驗室的另一位博士后Toshiro Sato調制了生長因子混合物，誘導腸道干細胞在培養皿中進行復制。幾個月后，研究人員在顯微鏡下看到的已經不止是細胞團了。

　　這些腸道干細胞開始分裂產生了各種細胞，并且形成了有孔的球狀結構，他們還在這種球狀結構的內部發現了類似于腸道絨毛和隱窩的結構。“這看起來就和腸道組織一模一樣，實在是太漂亮了。”現就職于日本慶應義塾大學的Sato回憶道。

　　而相關論文在發表前曾被拒多次，Clevers回憶稱：“沒有人相信這是真的。”論文的另一位作者Meritxell Huch 也表示，“這是一個激動人心的時刻，我們站在了最前端。”

　　激流勇進

　　其他實驗室也爭相開啟類器官培養研究。就在2009年Clevers等人的論文發表前，斯坦福大學Calvin Kuo 實驗室的博士后Akifumi Ootani使用了其他策略培養了類器官。Kuo使用了組織碎片而不是單個干細胞，并將樣本至于凝膠中且一部分暴露于空氣里，而非完全浸泡在營養液中。

　　大約同一時期，日本理化學研究所的Yoshiki Sasai使用胚胎干細胞培育出首個大腦類器官。也有其他研究人員使用誘導多能干細胞培養出類器官。

　　2017年，美國辛辛那提兒童醫院研究人員利用人類多能干細胞培育出腸管狀的組織，并在其中加入這種生長因子，成功啟動了一段與身體結構相關的基因代碼，促使細胞發育形成結腸“類器官”。移植到實驗鼠體內發育6到10周后，該“類器官”的形態、結構、分子和細胞特性等都與人類結腸相似。

　　這些不同的方法培養出的類器官各有利弊。Kuo的類器官含有多種細胞類型，可以“觀察到肌肉收縮等高階行為”，并能更適用于研究免疫療法等治療的靶向基質。而Clevers的類器官主要由上皮細胞組成，所以他的技術對大腦和其他沒有上皮細胞的器官不起作用。他的器官也不能用來測試針對血管或免疫系統的藥物

　　不過，迷你類器官與真實的器官相比還非常粗糙。而且，迷你器官缺乏血管系統，因此只能永遠處于迷你和簡單狀態，科學家還無法培育出任何接近實際大小的體外器官。

　　但研究人員相信，類器官的出現至少給他們指明了今后努力的方向，他們的長期目標就是要在功能上盡可能地替代人體器官。

　　無論如何，Clevers表示自己從“找到新奇的東西的滿足感”中得到了很高的“滿足感”。即便最近的實驗表明，當一個器官缺乏LGR-5陽性細胞時，已分化的細胞也可能“去分化”和修復組織。“有些器官可能根本沒有專門的干細胞。”Clevers說。

　　但當被問及當看到自己的發現對Fabian和van der Heijden等病人有巨大的好處時有何感受，Clevers只是簡單地說：“我沒有想到這一點。”