類器官締造者

張文韜/編譯

類器官締造者

張文韜/編譯

在50歲生日之前，埃爾斯·范德海杰登感到比以往更虛弱了。她出生時就罹患一種叫囊性纖維化（CF）的遺傳性疾病。她努力和疾病作斗爭，完成了大學學業，還找到了一份頗有挑戰的咨詢師工作。但是，住在荷蘭小鎮上的范德海杰登經常覺得“有一片烏云籠罩在頭頂。”2015年，她開始感到疲勞，很容易就氣喘吁吁，她覺得自己的生命可能走到盡頭了。

隨后，她在報紙上看到了一個名叫費邊（Fabian）的CF患兒的經歷。科學家剪下一段他的大腸，培育成微型器官，竟挽救了他的生命。醫生們在微型器官上測試了藥物依伐卡托（Ivacaftor，又名Kalydeco）的效果，這種藥物很貴，如果對患者沒有效果，荷蘭的保險公司將拒絕賠付醫療費用。這位CF患兒是由一種極為罕見的突變導致，沒有足夠的資料證明該藥物有效。幸運的是，他的微型器官對ivacaftor產生了反應，而他本人在服藥之后幾小時癥狀也有所改善，保險公司最終同意支付藥費。

范德海杰登的醫生也為她安排制作了微型器官。這個器官對市售的一種藥物Orkambi有反應（成分包括Ivacaftor和Lumacaftor）。范德海杰登服藥數周后，她表示：“破天荒第一次，我感覺渾身充滿力量，我感到身體機能運行得像個正常人。”

這種改變命運的藥物由漢斯·克萊弗斯（Hans Clevers）的實驗室開發，他是荷蘭皇家科學院胡布勒支研究所的主任。十多年前，克萊弗斯就發現，腸道中的一類母細胞能夠產生所有類型的腸道細胞。通過給予適當的營養，他領銜的團隊誘導這些干細胞發育成立體的、像鉛筆頭一樣大小的腸道組織。這種微型器官功能與真正的腸道相似，包含了主要細胞類型，也被稱為類器官。

于是，一場研究革命開始了。克萊弗斯等人開始制造其他器官的類器官，包括胃、胰臟、大腦和肝臟等。類器官便于實驗室操作，能夠闡明組織發育和損傷修復機制。但是，許多研究人員認為，或許更令人興奮的是找到了一種建立疾病模型的新方法，例如研究人員向健康組織的類器官中引入特殊的突變，來研究癌癥的發生。正如克萊弗斯實驗室發現的那樣，類器官還能預測個體對藥物的反應，讓個體化藥物治療成為現實。“類器官將很有可能使很多嚴重疾病的治療方法發生巨大變化。”麻省理工學院的干細胞研究人員魯道夫·耶尼施（Rudolf Jaenisch）認為。

對于克萊弗斯本人，幸運來得太突然。他認為自己是研究基礎生物學的，從未想到自己研究內容的現實作用。他說：“我總是被好奇心驅使，25年來，我們發表了很多論文，但都沒有轉化成一個可以直接造福人類的產品。”

2017年7月的一個早上，陽光明媚，在胡布勒支研究所里，克萊弗斯正耐心地聽著實驗室組會的報告。一位博士后展示了她建立小細胞性肺癌類器官模型的研究工作；另一位則報告了從人體腸組織中培養激素分泌類器官的進展。一旦學生的研究問題讓他感到無趣，克萊弗斯就會督促他們更積極一點。

類器官能夠被用來研究病原體與人體組織的相互作用。這是漢斯·克萊弗斯實驗室中培養的肺類器官

“漢斯能夠提出問題，而不受預設答案的影響。”愛德華·尼烏文赫伊斯（Edward Nieuwenhuis）說，他是荷蘭烏得勒支中央醫學院（UMCU）兒科系的主任，也是漢斯的好朋友。

“他嗅覺靈敏，總是能夠找到有趣的東西。”羅納德·布拉斯特克（Ronald Plasterk）表示，他在 2002～2007年間曾與克萊弗斯共同管理胡布勒支實驗室，如今他是荷蘭內政及王國關系部的部長。這一研究成果給克萊弗斯贏得了許多榮譽。

研究歷程

在美國達納法伯癌癥研究所做博士后研究期間，克萊弗斯的研究生涯從免疫細胞開始。1989年，他在UMCU的臨床免疫學系找到了第一份工作，并且很快當上了系主任。他表示，“雖然一直從事臨床工作，比如白血病診斷和血液檢查，但是，我的研究興趣主要在基礎研究。”

在早期研究中，他鑒別出一種關鍵分子，T細胞特異性轉錄因子1（TCF-1），它是T淋巴細胞這種免疫細胞增殖的信號。隨后，他發現，TCF-1是更大的Wnt信號分子家族的一員，這個家族不僅僅在免疫反應中不可或缺，在胚胎發育和組織修復中也發揮重要作用。1997年，他領銜的團隊發現，缺少信號分子基因TCF-4的小鼠，不能發育出腸隱窩。不久以后，美國約翰霍普金斯大學的伯特·福格斯坦（Bert Vogelstein）研究發現，TCF-4也在人類結腸癌的發生過程中起重要作用。克萊弗斯被強烈地吸引住了，他把研究方向從免疫系統轉向了腸道。

當時正興起干細胞的研究熱潮，受此啟發，克萊弗斯開始尋找腸道干細胞。早在50多年前，研究人員就推斷，嚙齒類動物的腸隱窩產生了很多只能存活幾天的細胞，說明這是長期穩定的細胞來源，只是沒有被人們了解。

經過接近10年繁瑣的實驗，2007年，克萊弗斯實驗室的博士后尼克·巴克爾（Nick Barker）終于有了重大發現：攜帶有LGR5受體的細胞產生小鼠腸道的所有細胞，Wnt信號通路中的分子指引這些細胞分裂。隨后巴克爾還發現，其他器官中也存在LGR5陽性細胞。在某些情況下，這些細胞一直保持活性，而在肝臟等其他器官中，它們只有在感知到組織受損時才會增殖。

當時，培養干細胞簡直難于上青天，但是，梳理了之前實驗室的經驗后，2009年，克萊弗斯實驗室的另一個博士后佐藤戶城把一些生長因子混合起來，誘導腸道干細胞在培養皿中復制。他希望看到細胞鋪滿培養皿，但是只有單個的LGR5陽性細胞生長了出來。“讓我吃驚的美麗結構，也激起了我的興趣。”如今在日本慶應大學的佐藤回憶說，那就是一個立體的腸道上皮組織。這個結構自組織形成腸隱窩，還有像手指狀的突起-腸絨毛，并開始分泌自身的生化物質。報道這個成果的論文被拒稿數次才得以發表，克萊弗斯回憶，“當時大家甚至都不相信！”

很快，實驗室開始培養來自胃、肝臟和其他器官LGR5陽性細胞，從而制造類器官。“那是一段令人興奮的時光，我真的覺得我們處于新發現的前沿，但是我們并不認為，我們已經開辟了一個新的領域。”博士后梅瑞特謝爾·胡克（Meritxell Huch）表示。

微型身體器官

類器官是實驗室培育出來的微型器官，改變了科學和醫學研究。研究人員從許多不同器官中培育出類器官，還能制作來自腫瘤細胞的類器官，模擬癌癥。

如何培養腸道類器官？克萊弗斯實驗室利用個體患者的腸道組織培養出腸道類器官。它們可以用來測試藥物的作用。第一步，取出組織樣本。從腸道上皮組織里取下非常小的一塊。第二步，培養。組織被浸泡在生長因子的混合溶液中，讓腸道干細胞增殖。第三步，收獲。直徑只有1毫米或以下的類器官會在3周內生長出來，可以冷凍起來以便后續使用。

類器官有什么作用？可以將類器官用于多種不同的用途，以下是類器官在基礎研究和醫學中當前和潛在的一些應用：

毒性試驗：利用類器官測試化學藥品對肝臟及人體其他器官的影響。

微生物組研究：研究正常人的腸道細菌是如何與腸道類器官相互作用的。

建立感染模型：用病毒或細菌感染類器官，能夠研究病原體對細胞的影響。

個體化藥物：來自患者個體的類器官能夠預測患者對藥物的反應，不管是新藥還是現有藥物。

癌癥研究：從健康組織得到類器官，再向其中引入突變，以此研究癌癥的發病原因。

類器官研究方法多樣化

被干細胞和再生組織的潛力吸引，其他實驗室也開始制造類器官。2009年，在佐藤戶城發表文章數月前，在美國斯坦福大學卡爾文·郭（Calvin Kuo）領銜的實驗室中，博士后大谷秋文報告了一種生成腸道類器官的新方法。郭的方法是用組織碎片，而不是單個干細胞，把它們放在凝膠中生長，部分暴露在空氣中，而不是整個浸泡在營養培養基中。同時，日本理化研究發育生物學中心的佐佐為由木培育出了第一個大腦類器官，他用的不是成體的干細胞，而是用胚胎干細胞。其他研究人員用誘導多能干細胞的方法也得到了類器官，這種細胞類似于胚胎干細胞，但是由成體細胞誘導而來的。

不同的方法造就了不同種類的類器官，各有長處和劣勢。郭的類器官包含許多細胞類型，自稱能夠觀察到肌肉收縮等高級行為。因為那些類器官含有間質組織，這是腫瘤生長所必需的結締組織，在癌癥免疫療法等靶向間質組織的療法研究中，它們更有用處。克萊弗斯的生長因子混合液能夠促進增殖，主要形成由上皮細胞組成的類器官，所以他的方法無法適用于大腦和其他缺少或完全沒有上皮細胞的組織。他的類器官也不能用于測試靶向血管和免疫細胞的藥物。

但幾種方法都能從個體患者身上制造出類器官，在1～3周內得到微型腸道。這些方法都是可復制的，類器官在培養過程中保持了遺傳穩定性，也可以冷凍保存多年。

類器官產品開發

2013年，克萊弗斯等人創立了一家非營利性組織，胡布勒支類器官技術（HUB）來推廣類器官的應用。HUB經理羅布·弗里斯（Rob Vries）表示，克萊弗斯首先提議將類器官用于組織移植。研究表明，將健康類器官移植到患有大腸疾病的小鼠身上，可以修復損傷。弗里斯說：“但是，我們沒有采用這個方法，因為涉及太多法律監管上的束縛，成功的概率也很低。”

用類器官來治療CF是UMCU學者杰弗里·比克曼（Jeffrey Beekman）的創意。所有荷蘭的新生兒都要經過CF篩查，結果呈陽性的嬰兒還要進行大腸活體檢查，測試組織以評估缺陷基因的功能失調，然后存儲起來。比克曼認為，從那些樣本里培養類器官相對簡單，他是這個項目的牽頭人。

2 000多種基因突變都可能引起CF，結果會導致損壞細胞膜上鹽和水流動的離子通道。這種病影響所有組織，但主要癥狀是在肺部和腸道產生很多粘液，導致胸部感染、咳嗽、呼吸困難和消化問題。

Ivacaftor以及Ivacaftor和 Lumacaftor的組合藥物都由美國波士頓的頂點醫藥公司銷售，能夠修復離子通道的功能，但是這些藥不是對每個患者都適用，它們只是針對最常見的突變，而這些常見突變患者在CF患者總人數中大約占據一半。頂點公司一直不愿意花費數百萬美元對罕見突變患者進行藥物試驗，因為潛在的收益很小，而成本太高。在歐洲，兩種藥每年花費在10萬～20萬歐元之間，保健服務和保險公司都不愿意為未經試驗的突變患者買單。

范德海杰登就屬于這一類人，在荷蘭僅有其他2個人擁有和她一樣的突變。但是，來自她腸道的類器官接觸到Ivacaftor和Lumacaftor后，就像正常的腸道組織一樣膨脹起來，這意味著有缺陷的蛋白正在工作，鹽和水分可以自由穿透細胞膜。這一結果說服了頂點公司通過慈善項目免費為范德海杰登提供藥品。以類器官試驗為基礎，CF患者埃爾斯·范德海杰登接受了新型聯合用藥治療。數周后，她說：“我渾身充滿力量。”

HUB與頂點公司合作，已經測試了來自CF患者的類器官對Ivacaftor的反應，這些患者都參與了這種藥物的臨床實驗。研究證實，類器官能夠預測哪些人會對藥物有反應。

HUB還對50例患者的類器官進行了Ivacaftor檢測，共涉及9種罕見突變。根據實驗結果，保險公司同意為另外6名荷蘭患者支付藥費，頂點公司也開始了針對罕見突變CF患者的首例Ivacaftor臨床藥物實驗。與此同時，HUB在荷蘭健康保險公司的資助下建立了生物銀行，保存了1 500個荷蘭CF患者的類器官，用于檢測現有藥物和新藥。

“這是CF研究中的一件大事。”耶路撒冷哈達薩醫學中心的兒科學領頭人埃坦·凱雷姆（Eitan Kerem）表示，她也在建立類似的生物銀行，并在罕見突變患者中進行了試驗。類器官格外有用，因為CF沒有較好的動物模型。凱雷姆表示，“只好用白鼬和豬作為模型，但是它們成本很高，大部分研究人員不易獲得。”

制藥和生物技術公司正在積極與HUB合作，探索類器官在其他疾病研究上的用途。在CF上的成功表明，他們可以建立其他單基因異常的模型，比如α-1抗胰蛋白酶缺乏（主要導致肺部和肝臟異常）。有些公司正在類器官上檢驗失敗的藥物，與動物實驗和臨床資料比較，希望找到能夠預測和避免失敗的方法。

類器官為癌癥研究提供模型

癌癥也是類器官研究的主要目標。從腫瘤樣品中得到類器官，研究人員就得到了微型腫瘤，利用其來研究癌癥成因，檢測藥物等。

2009年，在微型腸道文章發表之后不久，紐約冷泉港實驗室癌癥中心主任大衛·圖文森（David Tuveson）開始推動克萊弗斯去制造胰腺癌的類器官。眾所周知，這種癌癥非常難以治療。圖文森認為，現有的細胞培養模型都不能現實這一目標，創造基因工程的小鼠需要一年時間，而類器官只需要3周。類器官已經幫助闡明了導致胰腺癌的新途徑，未發表資料表明，它們能幫助研究人員預測哪些療法更有效果。他與克萊弗斯正在試圖通過添加間質組織和免疫細胞，制造與真正癌癥相似的類器官。胡布勒支實驗室也參與了兩個實驗，評估來自患者個體的結腸癌類器官能否預測藥物反應。

紐約紀念斯隆凱特琳癌癥研究中心的查爾斯·索耶斯（Charles Sawyers）正在試圖制造前列腺癌類器官，但是很難，來自原發腫瘤的類器官通常不會生長，而來自轉移組織的腫瘤雖然能夠生長，但是正常細胞往往比癌細胞長得好。迄今為止也不過在20個患者身上獲得成功。但是索耶斯發現，他能輕易地得到正常前列腺組織的類器官。“這方法很有效，”他說，隨后運用CRISPR等基因編輯技術能研究他需要的任何突變，他表示，“這是腫瘤抑制基因嗎？這是癌基因嗎？它是與基因XY協作嗎？你可以玩這種游戲！”

其他癌癥研究人員也想要加入。圖文森收到了很多培養類器官的請求，他開始在實驗室舉辦定期研討會。2016年，美國國家癌癥研究所、英國癌癥研究中心、英國桑格研究院和HUB還一起啟動了一項計劃，培育包括類器官在內的1 000多個細胞培養模型，提供給全世界科學家。

用個體化的類器官來治療癌癥仍然面臨許多障礙。各種癌癥類器官培養時間不同，但都需要盡量縮短時間，同時患者承擔的成本也有減少的需要。此外，癌癥在發展過程中積累了大量基因突變，來自患者早期癌癥的類器官有可能不能反映隨后的狀態。圖文森表示，“雖然如此，我認為這是癌癥研究領域最具變革性的進步。”

也許這些成果本應令克萊弗斯很激動，但他很少會表露出來。在談到自己的研究時，他很少使用富有情感的語言，更傾向描述和解釋事實。親密的朋友有時也會覺得他的實用主義令人費解，“他談論自己的研究，就像某些人談論擰螺釘一樣平淡無奇。”而克萊弗斯則表示，“發現一些新穎事情，已經使我得到了高度滿足，而不管實際用處有多大。”

漢斯·克萊弗斯正在研究腸道、肝臟、肺等微型器官，作為一名基礎生物學家，他從未想到自己的研究有朝一日能挽救病人生命

[資料來源：Science][責任編輯：游 溪]