来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2015/8/12 23:36:57
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“种”个大脑给你用
生物学家建立“类器官”库了解人体发育

 

在11月里再平常不过的一天,Madeline Lancaster突然意识到,她偶然培育出一个大脑。连续数周,她一直试图用人类胚胎干细胞形成神经丛——可以长成许多不同神经元的细胞丛。但因为一些原因,这些细胞无法粘附在培养皿底部;与此相对,它们一直漂浮着,形成了一些奇特的乳状球体。

“我当时并不知道它们是什么。”彼时在奥地利维也纳分子生物科技研究院做博士后的Lancaster说。那是2011年的一天,她在其中一个球体中看到一些奇怪的色素。在显微镜下观察后,她意识到,那是正在发育中的视网膜暗细胞——属于发育中大脑的一个分支。当她打开其中的一个球体后,分辨出了许多不同种类的神经元。Lancaster认识到,这些细胞已经自发形成了一个胚胎脑组织,她直接把这一消息告诉了导师、干细胞生物学家Jürgen Knoblich。“我发现一些震惊的现象,你一定要来看看。”她说。

事实上,Lancaster和同事并非首个在培养皿中培育出大脑的团队。2008年,日本研究人员报告称,他们利用来自大鼠和人类的胚胎干细胞,培育出类似大脑皮层的分层球体。从那时起,利用胚胎干细胞培育最初形态的器官变得日益流行。利用谨慎定时的化学线索,世界各地的研究人员已经培育出类似眼睛、肠道、肝脏、肾脏、胰腺、前列腺、肺部、胃脏、乳房等器官的三维微型组织。这些组织被称为“类器官”,因为它们模拟了真实器官的结构及功能,增进了对人体生长发育的了解,并可以作为疾病模型和药物检测平台,最终甚至可能替换受损的器官。“这可能是过去五六年中,干细胞领域最重要的发展。”英国惠康基金会/剑桥大学MRC干细胞研究所主任Austin Smith说。

培育肠道

这不应该让人如此吃惊,澳大利亚昆士兰大学分子生物学家Melissa Little说:“胚胎干细胞自身就具有让人难以置信的自我组织能力,而且并不需要什么模板或地图。”早在20世纪初,当胚胎学家证明海绵动物被切割成单细胞后仍会复制出自身时,科学家就已经认识到了这一点。

研究细胞以了解整个器官如何发挥作用,就像研究一堆砖头来了解一座房屋的作用一样,美国加州劳伦斯·伯克利国家实验室癌症研究专家Mina Bissell说。“我们才刚开始建造这个房屋。”她说。到21世纪头十年中期,相关研究开始崛起。受到日本理化研究所发育生物中心干细胞生物学家笹井芳树的激发(笹井芳树首先培育了大脑皮层,随后又培育出初步的视杯和脑下垂体),该领域的研究热情逐渐涌起。

在笹井芳树宣布培育出分层大脑皮层1年之后,荷兰乌得勒支Hubrecht研究所干细胞专家Hans Clevers报告称,培育出微型肠道。这一突破性进展起源于2007年的一项发现,当时Clevers和同事在大鼠体内发现了肠道干细胞,这些细胞在大鼠体内似乎拥有无止境的分化和补充肠道黏膜的能力。

Clevers决定把这些细胞镶嵌进人工基底膜(类似细胞外基质的一种软体胶状物)中。数月后,他们发现细胞分化并形成各种形状,长成了点缀着多节突起的空心球体。在球体内部,该团队发现了类似肠道内吸收营养的绒毛和隐窝之间的深沟。“这些看起来就像真正的肠道,它们非常漂亮。”Clevers说。这篇发表于2009年的论文已被证明是研究个性化药物的有力工具,Clevers和团队正在用它们研究针对囊泡性纤维症的药物。

微型胃

俄亥俄州辛辛那提儿童医学中心发育生物学家James Wells对相关研究也兴致勃勃,去年,Wells和团队曾报告称,创建了一种类似于人类胃部的类器官。

和Clevers采用的原材料不同,Wells的类器官培育自成体干细胞,这种细胞仅可以生成数量有限的细胞种类。10年前,Wells和同事曾尝试诱导人类胚胎干细胞形成肠细胞。该团队在操控其中两条关键信号通道时,细胞层生成了微小的圆形幼芽。Wells注意到,这些“球体幼芽”和最初的肠管非常相像,当女性在怀孕四周后就会形成类似肠管。

这个发现让他十分振奋,他意识到已经找到了一个培育各种类器官的起点。“从人体口腔到肛门的所有器官——包括食管、肺、气管、胃、胰腺、肝、肠、膀胱都来自这个最初的肠管。”

利用已有文献和此前的经验,Wells和同事开始决定哪些化学线索可能让这些肠管向具体器官发育。

2011年,该团队培育出其创造的首个人类类器官——约芝麻粒大小的肠道。

在2014年的论文中,Wells和团队揭示了他们培育出的类似胃窦的器官。该团队表示,他们利用这个模型,发现了形成细胞基底的化学触发器。现在,研究人员正在回答关于胃部发育及其生理学的其他基本问题。如哪些因素在调控胃酸分泌,他们还在尝试从最初的肠管中生成其他微型器官。

胚胎肾脏

Melissa Little已经花费了10年时间研究肾脏的复杂性。“在成年人体内,该器官大致有25~30种不同的细胞类型,每种细胞发挥的功能各不相同。”她说。被称为“肾元”的管状结构负责过滤来自血液的液体,并产生尿液。而叫作“小间隙”的周围空间有着由血管和输尿管组成的复杂网络。

2010年,Little和同事开始尝试把胚胎干细胞转变成可以生成肾元的前体细胞。连续3年,他们尝试了各种组合方式,在2013年,该团队终于发现了一种正确的细胞混合比例。然而,在她检查培养皿时,却发现两种细胞会自发地形成一种类似于在胚胎中形成的现象。“那一刻,‘哇,我觉得太震惊了’。”她说。

这个类器官更像一个胚胎肾脏,而不是一个已发育成熟的肾脏:它有着肾元前体细胞和生成输尿管细胞的混合体。“如果你想让它们进一步成熟,这才是难点。”Little说。因此,她的团队一直在攻克如何生成更复杂的肾脏——有着血管和间质的肾脏。

现在,他们希望可以把微型器官移植给大鼠,观察它们是否可以成熟并产生尿液。“对于我们可以做的事情,我觉得非常兴奋。”Little说。因为这些肾脏在物质新陈代谢和排泄中发挥着关键作用,她认为,这些微型肾脏可以在药物进行临床实验前,帮助测试候选药物的毒性。

微型肝脏

在纽约的所见所感使Takanori Takebe决定培养人工肝脏。2010年,在哥伦比亚大学器官移植部门工作期间,Takebe看到很多肝功能衰竭的人因为没有可以移植的肝脏而死亡。“那种情况让人感到悲伤。”他说。在分析组织工程研究之后,他认为在人工支架上种植细胞的常规方法注定会失败,其中的部分问题是成体肝脏细胞很难生长。“我们甚至不能让它们在培养皿中维持两三个小时。”他说。

在日本横滨市立大学担任研究职务的Takebe决定研究诱导多功能干(iPS)细胞——通过重新编辑程序之后可以像胚胎干细胞一样工作的成体细胞。他把人体iPS细胞诱导成为肝脏前体细胞(或肝母细胞)。在胚胎中,肝母细胞要依靠附近其他细胞的综合作用才能成熟,Takebe猜想,这些支撑细胞在培养皿中培育肝脏时也非常重要。他和同事把肝母细胞和这种支撑细胞(即间质和血管内皮细胞)混合,结果生效了。该团队培育出了“肝脏幼芽”——该组织尚不足一颗扁豆大小,接近六周大的人类胚胎的肝脏。研究人员进一步发现,和成熟肝脏细胞不同,这些组织可以在培养皿中存活两个月。

肝脏幼芽距离整个肝脏——由成百上千个肝母细胞瘤构成的质量更大的多裂片器官仍然相当远。但Takebe希望知道,是否可以把上万个肝脏幼芽融合进一个衰竭的肝脏器官中,这样就可以挽救肝脏的部分功能,从而不再需要进行肝移植。Takebe和团队希望在未来4年可以开始相关人体临床研究。“我们的目标是迫切需要肝移植的儿童。”他说。

生物学家知道,这些微型器官只是其真实器官的最初模拟状态。但这已经给他们提供了一些靶向目标,北卡罗来纳州维科·弗罗斯特再生医学研究院主任Anthony Atala说:“我们的长期目标是,可以复制越来越多的人类器官的功能。”这一领域已经集合了发育生物学家、干细胞生物学家和临床医学家等各领域的研究学者,现在的目标是建造更加精细的器官——那些体积更大、集合更多细胞种类的器官。(红枫)

 
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