在子宫中，一个相同的细胞球会产生各种不同的细胞类型，最终形成高度有序的结构，进而形成人体内各种各样的器官。这个过程按照内在的生物脚本进行，指导组织的每一次折叠和皱褶都呈现出完全正确的形状和尺寸。
熟悉从简单部分到复杂系统这一发展进程的科学家们，从未停止以一种既带有一丝惊奇又渴望在实验台上复制早期发育过程的心情来思考胚胎发育——既为了更好地理解生物学，也为了将这些信息转化为修复和替换受损组织的方法。他们的时代可能已经来临。近期在破译发育复杂性方面取得的成功，提高了在外科手术室中使用体外培育的替代器官的可能性，而这一天可能在短短10年内到来。
我对这一预测的乐观态度来自于我实验室近期关于干细胞的研究，干细胞会进一步分化成其他细胞类型。我们证明，即使在培养条件下生长，干细胞也能产生视网膜，这是眼睛内的关键结构，它将来自外部世界的光线转化为电信号和化学信号，然后传递到大脑的其他部分。在其他工作中，我的同事和我还培育出了皮质组织和垂体的一部分。在进行这些实验时，我们利用了我们对人体自身内在信号系统的不断深入的理解，诱导培养皿中扁平的分散细胞层形成轮廓分明的三维结构。利用我们提供的化学信号，干细胞本质上是自主地构建了自己的视网膜。这一成功激发了人们的希望，即通过这种方法产生的视网膜组织可以帮助治疗多种眼部疾病，包括黄斑变性。
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漂浮物
当我的实验室开始尝试培育视网膜时，我们试图回答关于视网膜如何形成的基本问题。我们知道视网膜是从胚胎大脑的一部分——间脑中产生的。在早期胚胎发育过程中，间脑的一个部分扩张形成视泡，一个气球状结构。然后，视泡向内折叠，呈现出视杯的形状，这种组织最终会进一步变形成为视网膜。
一个多世纪以来，生物学家们一直在争论视杯形成的确切机制，这种争论在研究发育中大脑的科学家中仍然存在。一个悬而未决的问题涉及邻近结构的作用，例如晶状体和角膜。一些观察者声称，晶状体物理性地推动视网膜向内弯曲，而另一些人则认为，视杯可以在没有附近晶状体组织的帮助下形成。
观察活体发育中的动物正在发生的事情非常困难，因此大约在10年前，我的团队决定看看我们是否可以通过分离眼睛的发育来了解更多信息——本质上是将胚胎干细胞放入培养皿中，将它们暴露于已知参与眼睛形成的化学物质中，并观察会发生什么。胚胎干细胞是最不成熟的干细胞类型，最终会分化成身体各种不同的组织类型，从神经元到肌肉细胞。
当时还没有从培养物中的干细胞生成器官的技术。尝试使用这些细胞构建新器官的方法是在人工支架上播种单个细胞，支架的形状像膀胱或食道。组织工程师在使用这种技术培育实际器官方面取得了一些成功。出于这个原因，我们尝试了一种不同的方法。作为这个过程的序曲，我们在2000年设计了一种细胞培养方法，将小鼠胚胎干细胞转化为各种类型的神经元。然后，我们将单层胚胎小鼠干细胞放在培养皿中，以及“饲养”细胞，这些细胞传递化学信号，促使干细胞成熟，超越其胚胎状态。我们理解，这种扁平的细胞片并没有复制实际人体器官的三维轮廓，但我们想看看细胞自身的化学信号是否足以促使它们产生眼睛早期发育过程特有的特殊类型神经元。
起初我们没有取得太大成功，但在2005年，我们通过发明一种方法取得了技术突破，超越了我们实验室早期干细胞技术的二维限制，并允许干细胞漂浮在培养液中。我们开始将这种三维培养，称为悬浮培养，用于多种目的。首先，细胞的三维聚集体比在扁平细胞片中形成的结构更能生成复杂的组织拓扑结构。其次，一个细胞需要与另一个细胞交流才能发育成复杂的结构，而三维培养更适合促进这种交流，因为细胞可以更灵活地相互作用。
应用这种新方法，我们将分离的细胞悬浮在实验室培养皿的孔中少量液体培养基中，发现它们开始与孔中的其他细胞结合在一起。这些小的细胞聚集体，通常每个孔3000个细胞，可以被诱导分化成与大脑前部相同的神经祖细胞（未成熟的神经细胞）。然后，细胞开始相互发出信号，并在三到四天后，自发地组织成由单层细胞片形成的空心球体，即神经上皮。我们将这种制造细胞片的方法称为SFEBq（serum-free floating culture of embryoid body–like aggregate with quick reaggregation）培养。
在胚胎中，神经上皮细胞在接收到来自细胞外部的外部化学信号后，最终形成特定的脑结构。其中一个信号触发了间脑的发育，间脑随后产生视网膜和下丘脑（控制食欲和许多其他基本身体功能的大脑区域）。一旦我们在实验室中获得了形成球体的细胞，我们就尝试通过在SFEBq培养物中添加蛋白质混合物（包含在胚胎中执行相同任务的化学物质），诱导组成细胞分化成视网膜祖细胞——成熟视网膜细胞的前体。
在这些球体在悬浮培养中保持数天后，视网膜上皮组织自发地向外突出，或称外翻，并形成类似视泡的结构。此外，视泡自发地改变形状：球体主体外部的上皮部分向内折叠。这种运动产生了类似于胚胎眼睛视杯的白兰地酒杯状。
换句话说，仅在培养皿中聚集分离的干细胞就产生了一个有序的结构——一个真正令人瞠目结舌的结果。与胚胎中不同，视杯旁边没有形成晶状体或角膜。这一发现为长期存在的问题提供了一个明确的答案，即这种原始视网膜是否需要来自邻近组织（如晶状体细胞）的外部力量。视网膜的形成，至少在体外，是一种基于这些细胞内部程序进行的自组织现象。
视网膜分层
在胚胎中看到的正常发育在实验室培养皿中继续进行。当我们将视杯在悬浮培养中额外培养两周时，组织生长到大约两毫米直径，单层视网膜上皮变成，就像在胚胎中一样，一个分层结构，包含在出生后视网膜中发现的所有六类细胞。这种层状材料包含一个外部光感受器层和一个最内层的神经节细胞层，在体内，神经节细胞层将视网膜连接到大脑。在它们之间，正如在真正的视网膜中所预期的那样，是几个连接层，称为中间神经元。与之前一样，多层结构的形成是通过一个内部程序实现的，该程序指导制造哪种类型的细胞以及如何在三维空间中排列它们。
我们的工作尚未结束。关于视杯如何形成以及细胞球如何产生图案结构的问题仍然存在。从均匀的物质团块中自发地出现复杂的形状被称为对称性破缺，并且在整个胚胎发育过程中都会发生。如果不是对称性破缺，受精卵的重复细胞分裂将不会超越未分化的细胞团块。我们的自组织胚胎干细胞培养似乎是理解哺乳动物胚胎发生过程中这种难以捉摸的机制的理想实验平台。
另一个悬而未决的问题与视网膜上皮（最初只是一层细胞）如何规划视杯的形状有关。一般来说，机械力和硬度控制着上皮组织的变化。通过测量体外视杯形成过程中上皮组织不同部位的力和组织硬度的方向，我们发现了导致组织结构形成的三个步骤。随着视杯的形成，视网膜的硬度降低，柔韧性增加。同时，视网膜和上皮组织交界处的细胞呈现楔形，最后，视网膜由于其快速扩张而开始向内折叠。这三个步骤对于视杯的形成至关重要。事实上，当计算机模拟中引入与组织力学相关的这些条件时，熟悉的白兰地酒杯形状就出现了。
为了看得更清楚
当然，听到我们研究的人们想知道，对小鼠胚胎干细胞的研究最终是否会帮助患有眼疾的人。我们在这方面取得了一些进展。值得注意的是，我的实验室最近报告了成功地从人类胚胎干细胞中形成了视杯和多层神经组织。预计相同的培养方法也应适用于人类诱导多能干细胞——成熟细胞，这些细胞被诱导经历逆向发育过程，使其表现得像胚胎干细胞。我们还发明了一种改进的冷冻保存方法，可以可靠地将人类胚胎细胞衍生的视网膜组织储存在液氮中。
所有这些工作都将推动我们走向视网膜组织的医疗应用。例如，我们或许能够创造出人工视网膜，帮助研究人员探索常见眼病的病理学，或许可以导致开发出药物和基因疗法来逆转视网膜变性。
视网膜变性分为三类，可能会从我们的研究中受益——黄斑变性、视网膜色素变性和青光眼——影响着全球数百万人。每种疾病都会导致视网膜不同层面的问题。在黄斑变性中，上皮组织的完整性因支持组织的破坏而受损，这种破坏导致光感受器的退化，尤其是在视网膜的中心区域。在视网膜色素变性中，称为视杆细胞的光感受器的数量在多年内逐渐减少。“夜盲症”是最初的常见症状。之后，患者会失去大部分视野，只剩下一个中心小区域。最后，青光眼会损害神经节细胞，神经节细胞通过投射视神经将视网膜连接到大脑后部皮层的视觉处理中心。
在三种疾病中，黄斑变性似乎最容易通过细胞替代疗法得到缓解。当在传统培养物中以及通过我们的方法生长时，人类胚胎干细胞和诱导多能干细胞可以相对容易地产生支持组织，称为视网膜色素上皮，并且可以直接从这些培养物中回收细胞。在美国，早期小规模的这些细胞临床试验已经开始，其他国家也计划进行类似的试验。在这些研究中，干细胞衍生的色素上皮细胞通过细针注射到色素上皮和光感受器层之间的空间，以替换至少部分受损组织。
视网膜色素变性的细胞疗法需要更多的技术进步才能提供给人类。与传统培养物不同，我们的技术可以在适合移植的细胞密集片层中生成视杆光感受器，但我们需要另一个关键工具，才能使这种片层的移植能够改善视力。与上皮组织的简单支持组织不同，光感受器需要整合到眼睛的神经回路中；具体来说，它们需要重新连接到另一种感觉细胞，即双极细胞，而我们尚不知道如何有效地实现这种连接。如果光感受器的移植成功，预计将使即使是晚期视网膜色素变性的患者也能恢复至少部分视力。
青光眼可能是这三种疾病中最难通过细胞疗法治疗的。胚胎干细胞培养能够产生这项工作所需的神经节细胞。然而，在出生后的眼睛中，视神经再生受到抑制，没有人知道如何诱导它们的轴突（将信号发送到大脑并形成视神经的分支）与其他细胞重新连接。
我们已经了解到，胚胎干细胞衍生的组织可以做的事情远比我们目前通过人工组织工程（将细胞放置在形状像皮肤层或膀胱的支架上）所能实现的要多得多。作为研究人员，我们必须谦虚而耐心地揭示发育中的细胞可以教会我们什么，关于从单个细胞到一个像眼睛一样复杂的器官的复杂过程。