作者:张章 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/9/1 11:04:14
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生物学家“意外”培养迷你器官
从未想到某天能拯救生命

 

生物学家Hans Clevers坦言自己从未预料到其成果能惠及广大病患。图片来源:SANDER HEEZEN

50岁生日时,Els van der Heijden感觉身体更差了。她患有遗传性囊胞性纤维化(CF),van der Heijden一直在努力与疾病作斗争。但这位生活在一个荷兰小镇的女性,经常感到“乌云压顶”。2015年,她开始感到疲劳,并喘不过来气,她预感也许生命快终结了。

后来,她从报纸上读到一篇文章,一个名叫Fabian同样患有CF的孩子,他的生命是科学家从其结肠中提取组织样本后培育的一个“微型器官”拯救的。医生用这个小器官测试药物伊伐卡托。该药物非常昂贵,荷兰保险公司拒绝在没有证据显示它能帮助CF患者的情况下进行报销。

Fabian的CF是由一个极罕见的突变引起的,因此他没有足够的证据提供给保险公司。但研究显示,他的迷你肠子对伊伐卡托出现了反应,而且他在服药后几个小时内症状就改善了。最终,他的保险公司同意报销药费。

类器官试药

van der Heijden的医生也为她做了一个迷你肠道,实验显示,它对一种名为Orkambi的药物有反应。这种药结合了伊伐卡托和另一种化合物鲁马卡托。在开始使用这种药物组合后几周内,“我充满了能量,我第一次觉得身体就像它应该的那样在运作。”她说。

而这项改变生命的技术是在Hubrecht研究所所长Hans Clevers的实验室里开发出来的。

十多年前,Clevers就发现了一种肠道内的母细胞,可以产生所有其他的肠道细胞。在合适的条件下,他的团队将这些细胞培育成一个3D、铅笔尖大小的类肠道。它在功能上与肠道相似,并充满了所有主要的细胞类型——这是一个类器官。

Clevers于2009年报道了这一成果,并表示这极有可能成为个体化医疗的有力工具。而这种个性化制作的迷你肠目前已被用于CF药物测试。这种疾病是因为基因突变,导致离子通道障碍,破坏了肺部和肠道液体转运。

研究人员把不同药物加入到患者细胞培养出来的类器官中,如果药物能够打开离子通道,那么液体就能进入肠道内皮细胞,肠道类器官就会肿胀起来。Clevers表示,用肠道类器官开展药物筛选工作要比对临床患者进行临床试验更便捷,而且成本也更低。

这只是变革的开始。Clevers等人还培养了其他类器官,例如胃、胰腺、大脑和肝脏。由于易于操作,类器官能揭示组织是如何发展和修复损伤的。但许多研究人员说,最令人兴奋的是,他们能以新方式对疾病进行建模。

研究人员正在从肿瘤细胞中提取材料制造类器官以模拟癌症,并将特定的突变引入由健康组织制成的类器官中,研究癌症是如何产生的。2015年,Clevers团队与美国纽约冷泉港实验室肿瘤学家David Tuveson团队合作,用结肠癌肿瘤细胞培育了一批类器官,同时还用胰腺癌患者的活检组织培育了胰腺类器官。这两种类器官都可以用来筛选最佳抗癌药物。

“这些类器官极有可能改变许多严重疾病的疗法。”麻省理工学院干细胞专家Rudolf Jaenisch说。

站到了最前沿

Clevers觉得自己运气极好。作为一个基础生物学家,他从来没有想过与现实应用有关的问题。“我通常受自己的好奇心驱动。”他说,“而且25年里,我们发表的论文对这个星球上的任何人都没有实际意义。”

那是一个阳光明媚的夏日清晨,Clevers在开实验室汇报会。当时,一个博士后展示了她为研究小细胞肺癌培养的一个类器官模型;另一个人则报告了利用人体肠组织培养激素分泌类器官的进展。

每当他们的研究问题让Clevers感到不受鼓舞时,他就会鼓励他们应更有雄心:“你为什么不去追求一些你不知道的东西呢?”

“Hans有能力提出一些不会被预期答案所污染的问题。” 乌得勒支大学医学中心(UMCU)儿科主任Edward Nieuwenhu说。“他有一个比大多数人更灵敏的鼻子嗅探和寻找有趣的东西。”荷兰内政大臣Ronald Plasterk说。他曾于2002年至2007年与Clevers担任实验室联合主任。

类器官是用干细胞在实验室里培育出的多细胞结构。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,类器官却有十分复杂的结构:肾脏上有微小的细管,大脑皮层或肠道内有精妙的褶皱。它们虽然不是真正意义上的器官,但功能和生理反应相似。

实际上,早在20世纪初,胚胎生物学家就发现,将海绵细胞完全分散后,它们还能重新聚集到一起。但相关研究很快被人遗忘了。直到2008年,日本科研人员就成功地利用小鼠和人胚胎干细胞培育出了类似大脑皮层的、有层次的细胞团。于是,科研人员就开始尝试利用胚胎干细胞培育各种组织和器官。

在经历了近10年的漫长实验后,Clevers的博士后Nick Barker在2007年挖到金矿:他发现小鼠肠道内携带LGR5受体的细胞能发育成所有的肠道细胞类型,而Wnt信号通路中的分子会发出让这些细胞分裂的信号。

之后,Barker发现其他器官中的LGR5阳性细胞也是如此。在肝脏等器官中,这些细胞通常具有活性,但只有当组织出现损伤时它们才增殖。

当时,虽然干细胞培养还很困难,但Clevers实验室的另一位博士后Toshiro Sato调制了生长因子混合物,诱导肠道干细胞在培养皿中进行复制。几个月后,研究人员在显微镜下看到的已经不止是细胞团了。

这些肠道干细胞开始分裂产生了各种细胞,并且形成了有孔的球状结构,他们还在这种球状结构的内部发现了类似于肠道绒毛和隐窝的结构。“这看起来就和肠道组织一模一样,实在是太漂亮了。”现就职于日本庆应义塾大学的Sato回忆道。

而相关论文在发表前曾被拒多次,Clevers回忆称:“没有人相信这是真的。”论文的另一位作者Meritxell Huch 也表示,“这是一个激动人心的时刻,我们站在了最前端。”

激流勇进

其他实验室也争相开启类器官培养研究。就在2009年Clevers等人的论文发表前,斯坦福大学Calvin Kuo 实验室的博士后Akifumi Ootani使用了其他策略培养了类器官。Kuo使用了组织碎片而不是单个干细胞,并将样本至于凝胶中且一部分暴露于空气里,而非完全浸泡在营养液中。

大约同一时期,日本理化学研究所的Yoshiki Sasai使用胚胎干细胞培育出首个大脑类器官。也有其他研究人员使用诱导多能干细胞培养出类器官。

2017年,美国辛辛那提儿童医院研究人员利用人类多能干细胞培育出肠管状的组织,并在其中加入这种生长因子,成功启动了一段与身体结构相关的基因代码,促使细胞发育形成结肠“类器官”。移植到实验鼠体内发育6到10周后,该“类器官”的形态、结构、分子和细胞特性等都与人类结肠相似。

这些不同的方法培养出的类器官各有利弊。Kuo的类器官含有多种细胞类型,可以“观察到肌肉收缩等高阶行为”,并能更适用于研究免疫疗法等治疗的靶向基质。而Clevers的类器官主要由上皮细胞组成,所以他的技术对大脑和其他没有上皮细胞的器官不起作用。他的器官也不能用来测试针对血管或免疫系统的药物

不过,迷你类器官与真实的器官相比还非常粗糙。而且,迷你器官缺乏血管系统,因此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。

但研究人员相信,类器官的出现至少给他们指明了今后努力的方向,他们的长期目标就是要在功能上尽可能地替代人体器官。

无论如何,Clevers表示自己从“找到新奇的东西的满足感”中得到了很高的“满足感”。即便最近的实验表明,当一个器官缺乏LGR-5阳性细胞时,已分化的细胞也可能“去分化”和修复组织。“有些器官可能根本没有专门的干细胞。”Clevers说。

但当被问及当看到自己的发现对Fabian和van der Heijden等病人有巨大的好处时有何感受,Clevers只是简单地说:“我没有想到这一点。”(张章编译)

 
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