那是在十一月一个再普通不过的日子，当时玛德琳·兰卡斯特意识到她意外地培养出了一个大脑。几周以来，她一直试图让人的胚胎干细胞形成神经玫瑰花结，即可以变成多种不同类型神经元的细胞簇。但由于某种原因，她的细胞拒绝粘附在培养皿的底部。相反，它们漂浮起来，形成奇怪的、乳白色的球体。
“我真的不知道它们是什么，” 兰卡斯特说，她当时是维也纳分子生物技术研究所的博士后。然而，在2011年的那一天，她在其中一个球体中发现了一个奇怪的色素点。在显微镜下观察，她意识到那是发育中视网膜的黑色细胞，是发育中大脑的突出部分。当她切开其中一个球时，她可以挑出各种各样的神经元。兰卡斯特意识到，这些细胞已经自组装成了一些明显像胚胎大脑的东西，她直接去找了她的导师，干细胞生物学家于尔根·克诺布利希，告诉了他这个消息。“我得到了一些惊人的东西，”她告诉他。“你一定要看看。”
兰卡斯特和她的同事并不是第一个在培养皿中培养大脑的人。2008年，日本的研究人员报告说，他们已经促使小鼠和人类的胚胎干细胞形成类似于大脑皮层的分层球体。从那时起，将干细胞培育成基本器官的努力蓬勃发展。世界各地的研究人员使用经过精心定时的化学信号，已经产生了类似于眼睛、肠道、肝脏、肾脏、胰腺、前列腺、肺、胃和乳房组织的3D结构。这些被称为类器官的组织片段，因为它们模拟了真实器官的某些结构和功能，正在促进对人类发育的了解，作为疾病模型和药物筛选平台，并最终可能用于拯救受损器官（参见“类器官库”）。英国剑桥大学惠康信托/医学研究委员会干细胞研究所主任奥斯汀·史密斯说：“这可能是过去五六年干细胞领域最重大的发展。”
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不断扩展的微型器官培养领域
器官
目前的类器官并不完美。有些缺乏关键的细胞类型；另一些只模仿器官发育的最早期阶段，或者批次之间存在差异。因此，研究人员正在努力改进他们的类器官——使它们更复杂、更成熟、更具可重复性。尽管如此，生物学家们对细胞在几乎不需要鼓励的情况下就能自组装成精细结构感到惊讶。“这不需要任何超级复杂的生物工程，”克诺布利希说。“我们只是让细胞做它们想做的事情，它们就制造出了一个大脑。”
培养肠道
澳大利亚昆士兰大学的分子生物学家梅丽莎·利特尔说，这不应该是一个重大的惊喜。“胚胎本身就具有令人难以置信的自组织能力；它不需要模板或地图。”自从1900年代初期，胚胎学家表明，被分解成单个细胞的海绵可以重新组装自己以来，这一点就为人所知。但是，这类工作已经过时，现代生物学家已将注意力集中在纯化细胞并在培养物中培养它们上——通常是在扁平层中，这对模仿正常人体组织几乎没有作用。
加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的癌症研究员米娜·比塞尔说，研究这些细胞以了解器官如何运作，就像研究一堆砖块以了解房屋的功能一样。“我们应该开始建造房屋，”她说。比塞尔对乳腺细胞培养物的研究有助于传播这样一种观点，即细胞在3D培养物中的行为与在传统的扁平培养物中不同。到2000年代中期，这个想法开始流行起来。日本神户市理化学研究所发育生物学中心的干细胞生物学家笹井芳树推动了这股热潮，他培养出了大脑皮层，随后是基本的视杯和垂体（参见《自然》杂志 488, 444–446; 2012）。
在笹井宣布他的分层皮层仅仅一年后，荷兰乌得勒支Hubrecht研究所的干细胞研究员汉斯·克莱弗斯报告了迷你肠道的创建。这一突破源于2007年的一项发现，当时克莱弗斯和他的同事在小鼠体内发现了肠道干细胞。在体内，这些细胞似乎具有无限的分裂和补充肠道内壁的能力，克莱弗斯的一位博士后研究员，佐藤俊郎，负责在实验室中培养它们。
这对搭档没有将细胞扁平培养，而是决定将它们嵌入基质胶中，这是一种类似于细胞外基质的柔软凝胶，即包围细胞的分子网。“我们只是在尝试各种方法，”克莱弗斯说。“我们希望我们可能会制造出一个球体或一团细胞。”几个月后，当克莱弗斯将眼睛放在佐藤的显微镜上时，他看到了不仅仅是一团团的东西。细胞分裂了，分化成多种类型，并形成了空心球体，球体上布满了瘤状突起。在内部，该团队发现了类似于肠道吸收营养的绒毛以及它们之间称为隐窝的深谷的结构。“这些结构，令我们完全震惊的是，看起来像真实的肠道，”克莱弗斯说。“它们太漂亮了。”
2009年报道的迷你肠道可能被证明是精准医疗中的强大工具。克莱弗斯和他的团队正在使用它们来研究药物对囊性纤维化患者的疗效，这些患者的基因缺陷会影响离子通道，并破坏肺和肠道内壁细胞中水分的进出。研究人员从患有该疾病的人身上采集直肠活检，使用这些细胞创建个性化的肠道类器官，然后应用潜在的药物。如果治疗打开离子通道，那么水可以向内流动，肠道类器官就会膨胀。“这是一个黑白分明的分析，”克莱弗斯说，这可能比在人体内试验药物以查看它们是否有效更快、更便宜。
他已经使用该系统评估了一种名为Kalydeco（ivacaftor）的药物以及其他5种囊性纤维化药物是否对大约100名患者有效；至少其中2人现在正在服用Kalydeco。
类器官也可能帮助医生为癌症患者选择最佳疗法。今年早些时候，克莱弗斯透露，他已经从结直肠肿瘤细胞中培养了一个类器官库，纽约冷泉港实验室的癌症研究员大卫·图韦森与克莱弗斯合作，使用从胰腺癌患者身上采集的活检组织生成胰腺类器官。在这两种情况下，类器官都可以用于找到对特定肿瘤最有效的药物。“患者正在寻找一种合乎逻辑的癌症治疗方法，”图韦森说。“我对我们正在学习的东西感到非常兴奋。”
小规模胃部
这种兴奋感也为发育生物学家詹姆斯·威尔斯所共有，他去年报告说，他和他的团队创造了一种类似于人类胃部一部分的类器官。
威尔斯使用的原材料与克莱弗斯不同，克莱弗斯的类器官来自成人干细胞，成人干细胞只能产生有限数量的细胞类型。威尔斯在俄亥俄州辛辛那提儿童医院医疗中心工作，他和他的同事们用胚胎干细胞制造类器官，胚胎干细胞具有变成几乎任何类型细胞的能力。因此，他们已经能够创造出更复杂的迷你器官。
十年前，威尔斯和他的同事开始尝试诱导人的胚胎干细胞形成肠道细胞。当该团队操纵两个关键的信号通路时，产生的细胞层出现了微小的圆形芽。威尔斯注意到，这些“球状体”模仿了原始肠管的横截面，原始肠管在受孕后四周形成。这令人兴奋，因为他意识到他现在有了一个起点，可以从中开发各种类器官。“从你的嘴巴到你的肛门——食道、肺、气管、胃、胰腺、肝脏、肠道、膀胱——所有器官都来自这个非常原始的管道，”他说。
威尔斯和他的同事们查阅了文献和他们自己的经验，以确定哪些化学信号可能会引导这些肠管沿着发育路径走向特定的器官。使用这种策略，该团队在2011年开发了他们的第一个人类类器官，一个大约芝麻大小的肠道。但是培养胃是一个更大的挑战。在人类中，该器官有两个关键区域：顶部的胃底，产生酸，以及底部的胃窦，产生许多关键的消化激素——而导致两者之一的信号通路尚不清楚。此外，“人类的胃与我们在实验室中使用的大多数动物的胃不同”，因此没有好的动物模型，威尔斯的前研究生、现为中心医学生的凯尔·麦克拉肯说。
研究人员采用了一种反复试验的方法：他们做出了一些有根据的猜测，并费力地测试了生长因子的不同组合。最终，努力得到了回报。在2014年的一篇论文中，威尔斯和他的团队透露，他们已经创造了类似于胃窦的类器官。该团队表示，使用这些类器官作为模型系统，他们已经弄清楚了促使胃底发育的化学触发因素。现在，研究人员正在努力回答关于胃发育和生理学的其他基本问题，例如哪些因素调节酸分泌，并且他们正在尝试从他们的原始肠管中产生其他迷你器官。
剑桥大学格登研究所的发育遗传学家丹尼尔·圣约翰斯顿对这种新发现的检查人类发育的能力感到兴奋。“你实际上可以观察细胞如何组织自身以形成复杂的结构，”他说——这在人类胚胎中是不可能的。但他表示，大多数类器官仍然是单一组织，这限制了发育生物学家可以学到的东西。“有些问题你真的无法解决，因为它们取决于整个生物体的生理机能。”
婴儿肾脏
梅丽莎·利特尔花了十多年的时间惊叹于肾脏的复杂性。“它在一个成年人体内，可能有25-30种不同的细胞类型，每种都做着不同的工作，”她说。称为肾单位的管状结构从血液中过滤液体并产生尿液。周围的空间，称为间质，容纳着复杂的血管网络和输送尿液的管道。
2010年，利特尔和她的同事开始尝试将胚胎干细胞转化为产生肾单位的祖细胞。在三年时间里，他们尝试了生长因子的各种组合和时机。“真的花了很多精力去摸索才能取得进展，”她说。但最终，在2013年，该团队找到了恰到好处的混合物。利特尔一直致力于仅产生祖细胞。但是当她观察培养皿时，她看到了两种细胞类型自发地按照它们在胚胎中的方式进行模式化。“那一刻，我心想，‘哇。这不是很神奇吗？’”她说。
这种类器官类似于胚胎肾脏而不是成人肾脏：它混合了肾单位祖细胞和产生集尿管的细胞。“如果你想让它们进一步成熟，那才是真正的挑战所在，”利特尔说。因此，她的团队一直在努力培养更复杂的版本——带有血管和间质。然后希望是将迷你器官移植到小鼠体内，看看它们是否会成熟并产生尿液。“我对我们能构建的东西感到非常兴奋，”利特尔说。
由于肾脏在药物代谢和排泄中起着关键作用，利特尔认为她的迷你肾脏可能有助于在药物候选物进入临床试验之前测试其毒性。研究人员表示，其他人类类器官，如心脏和肝脏，也可能类似地用于筛选药物候选物的毒性作用——与标准组织培养或动物试验相比，可以更好地了解器官的反应。
但纽约哥伦比亚大学的干细胞研究员迈克尔·沈对这些模型系统能够完全取代实验动物持怀疑态度。例如，动物可以显示疗法如何影响免疫系统，这是类器官系统目前无法做到的。“你希望能够在体内系统中验证你的实验结果，”他说。“我认为这是一个严格的测试。”
小肝脏
竹部孝典在纽约经历了一段令人不寒而栗的时期后，受到了培养肝脏的启发。2010年，在哥伦比亚大学器官移植部门工作期间，竹部看到人们因缺乏器官而死于肝功能衰竭。“那是一个悲伤的局面，”他说。当他研究组织工程时，他认为通常的方法——将细胞播种到人工支架上——注定要失败。他说，部分问题在于成人肝细胞非常难以培养。“我们甚至无法在培养物中维持它几个小时。”
竹部在日本横滨市立大学担任研究职位，他决定研究诱导多能干（iPS）细胞，这是一种被重新编程为像胚胎干细胞一样行为的成人细胞。他诱导人的iPS细胞形成肝细胞前体，或肝母细胞。在胚胎中，肝母细胞依赖于来自附近其他细胞的复杂信号交响曲才能成熟，竹部怀疑这些支持细胞对于在培养皿中发育肝脏也是必要的。他和他的同事将肝母细胞与这些细胞（称为间充质细胞和内皮细胞）混合在一起，结果奏效了。该团队成功地创造了“肝芽”，这是一种不大于小扁豆的结构，类似于六周大的人类胚胎的肝脏。研究人员继续发现，与成熟的肝细胞不同，这种结构可以在培养物中存活长达两个月。
肝芽与整个肝脏（一个由数百亿个肝细胞组成的巨大、多叶器官）仍然相去甚远。但竹部希望，如果他可以将数千个肝芽注入衰竭的器官，他或许能够挽救其足够的功能，从而使移植变得不必要。这个过程似乎在小鼠身上有效。当竹部和他的小组将十几个肝芽移植到小鼠腹部时，他们看到了戏剧性的效果。在两天内，肝芽与小鼠的血液供应连接起来，细胞继续发育成成熟的肝细胞，这些肝细胞能够制造肝脏特异性蛋白质并代谢药物。为了模拟肝功能衰竭，该团队用一种有毒药物消除了动物的自然肝功能。一个月后，大多数对照组小鼠死亡，但大多数接受肝芽移植的小鼠存活了下来。
竹部和他的团队希望在四年内开始人体试验。“我们将针对那些急需肝移植的儿童，”他说。他和他的同事目前正在努力使肝芽更小，并大量生产它们，以便可以通过供应肝脏的大门静脉输注。竹部认为时间表是“可行的”。但史密斯表示，这个过程似乎过于仓促，这些器官的基本生物学特性需要在临床使用之前得到充分了解。“这就像还没学会走路就想跑，”他说。
生物学家们知道，他们的迷你器官仍然只是其真人大小的对应物的粗糙模仿。但北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆维克森林再生医学研究所主任安东尼·阿塔拉说，这给了他们一个目标。“长期目标是，你将能够复制更多人类器官的功能。”该领域已经汇集了发育生物学家、干细胞生物学家和临床科学家。现在的目标是构建更精细的器官——更大、整合更多细胞类型的器官。
威尔斯说，即使是今天的基本类器官也在促进那些在动物模型中难以实现的发现，在动物模型中，分子信号很难操纵。“在培养皿中，这很容易，”他说。“我们有化学物质和蛋白质，我们可以直接倾倒在这些细胞上。”
本文经许可转载，并于2015年7月29日首次发表。