值得期待的“類器官”

類器官技術(shù)旨在利用3D 培養(yǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)類器官，以促進(jìn)對(duì)疾病機(jī)制的理解

培養(yǎng)“類器官”

有些孩子因?yàn)樘詺猓錄](méi)少受罪，甚至有些成年人也時(shí)不時(shí)會(huì)“享受”一番被擰耳朵的滋味。其實(shí)，聽(tīng)不聽(tīng)話跟耳朵并沒(méi)有關(guān)系，擰耳朵對(duì)孩子也是不當(dāng)?shù)捏w罰。

能不能換一只聽(tīng)話的耳朵呢？理論上來(lái)說(shuō)，這是可以的。借助類器官研發(fā)領(lǐng)域的新技術(shù)大致上就能實(shí)現(xiàn)這個(gè)愿望。你可能要問(wèn)，什么是類器官呢？

類器官，狹義上是指由動(dòng)物的細(xì)胞質(zhì)分化形成的、具備某些動(dòng)物器官功能的結(jié)構(gòu)。

顯而易見(jiàn)，培養(yǎng)類器官是核心技術(shù)之一。研究人員將分離出來(lái)的胚胎或多能干細(xì)胞培養(yǎng)在一種細(xì)胞外基質(zhì)膠構(gòu)成的支架上，基質(zhì)膠實(shí)際上就是一種凝膠狀物質(zhì)（也稱水凝膠），它可以讓細(xì)胞在其中生長(zhǎng)為三維立體物。

這個(gè)技術(shù)對(duì)培養(yǎng)基的要求比較高，它不但需要具備IV型膠原蛋白、層粘連蛋白、巢蛋白等重要的基質(zhì)成分，還要具有較高的拉伸強(qiáng)度。這種培養(yǎng)基質(zhì)膠一般需要存儲(chǔ)在-80℃～-20℃的低溫環(huán)境中。

細(xì)胞被植入培養(yǎng)基質(zhì)膠之后，它們兩者之間的信號(hào)通路，與細(xì)胞在人體內(nèi)發(fā)育并穩(wěn)態(tài)維持的信號(hào)通路大致相同。因此，科學(xué)家就可以通過(guò)在培養(yǎng)基質(zhì)膠中添加生長(zhǎng)因子和小分子等，來(lái)激活或者抑制參與類器官形成的特定信號(hào)通路。也就是說(shuō)，根據(jù)制備不同類器官的需要，使用不同的添加物組合。

目前，一部分具有部分關(guān)鍵生理結(jié)構(gòu)和功能的類器官已經(jīng)培育成功，包括肝、腦、腸、胰腺、前列腺，以及視網(wǎng)膜等。

那么，培養(yǎng)出來(lái)的類器官究竟又有哪些用處呢？

微型“類器官”

類器官的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，而且潛力驚人。

與傳統(tǒng)在營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)細(xì)胞不同，在基質(zhì)膠中培養(yǎng)的類器官包含多種細(xì)胞類型，突破了細(xì)胞間單純的物理接觸聯(lián)系，細(xì)胞與基質(zhì)間產(chǎn)生了更為緊密的相互作用，從而形成具有功能的“微器官”。

這些微型器官能更好地模擬器官組織的發(fā)生過(guò)程及生理病理狀態(tài)。比如說(shuō)，微型腦器官就能夠幫助我們解釋人為什么是左撇子或右撇子。

培養(yǎng)一個(gè)微型人類大腦，這個(gè)看似破天荒的“大項(xiàng)目”，在科學(xué)家看來(lái)并非難事。尤其讓人驚訝的是，他們培育微型大腦所使用的竟然只是普通的皮膚細(xì)胞。他們先將這些皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞。隨著干細(xì)胞不斷生長(zhǎng)，腦細(xì)胞也漸漸分化出來(lái)，然后停止對(duì)細(xì)胞的養(yǎng)分供應(yīng)，最后將它們植入培養(yǎng)基質(zhì)膠并放入孵化器中進(jìn)行培養(yǎng)。

現(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)找到了促進(jìn)大腦皮層生長(zhǎng)的方法，也就是增加神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖，就能夠促進(jìn)大腦類器官中皮層組織擴(kuò)大和增加皮層的褶皺。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)榇竽X皮層被認(rèn)為是人類擁有獨(dú)特智慧的基礎(chǔ)。這意味著在不遠(yuǎn)的將來(lái)，“低智商”都有救了。

移植“類器官”

我國(guó)每年大約有30萬(wàn)患者在等待器官移植，但其中只有大約1/30能夠獲得移植的機(jī)會(huì)。這些患者除了要支付高額醫(yī)療費(fèi)用，還要承受術(shù)后可能出現(xiàn)的排異反應(yīng)以及終生服藥等問(wèn)題。

培養(yǎng)類器官再移植到人體內(nèi)，用于修復(fù)受損的器官，一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)。不過(guò)，目前我們只是看到了希望，距離真正移植還有很長(zhǎng)的路要走。

其中，類器官缺乏血管系統(tǒng)是一個(gè)最主要的問(wèn)題。眾所周知，血管是器官生長(zhǎng)發(fā)育獲取能量的重要結(jié)構(gòu)。沒(méi)有這一系統(tǒng)，類器官無(wú)法在人體內(nèi)存活。除了血管，科學(xué)家也無(wú)法讓類器官擁有結(jié)締組織和免疫系統(tǒng)。

不過(guò)，目前國(guó)外已經(jīng)有科學(xué)家將肝臟和小腸類器官移植到實(shí)驗(yàn)小鼠體內(nèi)。這些類器官在短時(shí)間內(nèi)發(fā)揮出了應(yīng)有的作用。這已經(jīng)是巨大的進(jìn)步。

另外，有科學(xué)家將類器官技術(shù)培養(yǎng)的微型組織，移植到早產(chǎn)兒的體內(nèi)，希望能夠在其體內(nèi)培養(yǎng)出一個(gè)類腸道，用以治療因?yàn)楦腥緦?dǎo)致的腸道損傷。

據(jù)專家預(yù)測(cè)，10年后，類器官人體移植技術(shù)將有質(zhì)的突破。

抗癌“類器官”

癌癥一直是威脅人類健康的一大頑疾，它是由于基因突變導(dǎo)致人體某些細(xì)胞不受控制地增殖而引起的疾病。

醫(yī)生在臨床治療中發(fā)現(xiàn)，即便出現(xiàn)在同一器官中，每個(gè)癌細(xì)胞也都不同。它們由攜帶不同突變的細(xì)胞混合物構(gòu)成，這些突變決定了治療最終的效果。培養(yǎng)惡性腫瘤細(xì)胞，并開(kāi)展抗癌藥物篩查，最終確定使用何種藥物，是治療癌癥的關(guān)鍵。

過(guò)去，醫(yī)生一般采用在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)惡性腫瘤的二維細(xì)胞系，或者在小鼠模型中展開(kāi)這一項(xiàng)工作。然而，二維細(xì)胞培養(yǎng)并不是細(xì)胞生長(zhǎng)的天然狀態(tài)，因而基因表達(dá)、信號(hào)傳導(dǎo)和形態(tài)學(xué)都可能與天然細(xì)胞不同。小鼠模型不但耗費(fèi)時(shí)間和資源，還與人類癌癥的通路差異很大。

類器官技術(shù)的應(yīng)用，能夠更接近復(fù)制出原發(fā)腫瘤的一些關(guān)鍵特性，同時(shí)也比小鼠模型節(jié)省時(shí)間和資源。簡(jiǎn)而言之，它能幫助醫(yī)生更快、更準(zhǔn)確地找到適合的抗癌藥物。雖然不一定能根治疾病，但至少能夠改善臨床結(jié)局，也就是能延長(zhǎng)生命。

打印“類器官”

類器官培養(yǎng)技術(shù)目前還難以達(dá)到毫米級(jí)以上，也就是無(wú)法達(dá)到人體內(nèi)器官的大小，這就限制了它在再生醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用。而生物3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和生物材料的精準(zhǔn)空間排列，但無(wú)法讓細(xì)胞組織自己實(shí)現(xiàn)宏觀排列，也就是無(wú)法自行生長(zhǎng)。

因此，如果能夠?qū)⑦@兩項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，就有可能獲得高度仿真的器官產(chǎn)品。理論上來(lái)說(shuō)，這是一種基于顯微鏡技術(shù)的生物打印產(chǎn)品。

其工作原理大致是，先抽吸細(xì)胞并將它準(zhǔn)確沉積在培養(yǎng)基質(zhì)膠液體的前體內(nèi)部，再通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴尺寸、流速和打印速度，控制最終的細(xì)胞密度。等到第一次打印的細(xì)胞培養(yǎng)發(fā)育出一定形態(tài)和功能之后，再將它放回打印機(jī)進(jìn)行第二次打印，也就是在已經(jīng)發(fā)育的細(xì)胞組織周圍打印第二種細(xì)胞組織。

通過(guò)這種方法，科學(xué)家最終能夠精準(zhǔn)控制打印細(xì)胞組織的發(fā)育。

毋庸置疑，打印類器官是一項(xiàng)非常復(fù)雜、難度極大的技術(shù)，涉及到醫(yī)學(xué)、影像學(xué)、物理學(xué)，以及生物學(xué)等方面的專業(yè)知識(shí)和尖端技術(shù)。

目前，打印類器官的技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。不過(guò)，已經(jīng)有科學(xué)家潑冷水了。他們警告說(shuō)，除非萬(wàn)不得已，否則不能用有限技術(shù)制成的器官對(duì)接無(wú)限復(fù)雜的人體系統(tǒng)，因?yàn)橐坏┲踩塍w內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生哪些副作用我們還一無(wú)所知。

總之，科學(xué)研究是一項(xiàng)既有挑戰(zhàn)性，又具有風(fēng)險(xiǎn)性的復(fù)雜實(shí)踐過(guò)程。