什么是類器官?

作者:    所在單位:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

類器官是一種體外分化培養(yǎng)而成的3D培養(yǎng)物,用來對(duì)體內(nèi)的器官進(jìn)行模擬,從而方便對(duì)器官的研究。

它的原料是成體干細(xì)胞或者多能干細(xì)胞,加上特定的微環(huán)境培養(yǎng)而出。使用干細(xì)胞的目的是分化出多種類型的細(xì)胞,并讓它們組裝成類似真正器官的結(jié)構(gòu)。那么,既然想要多樣的細(xì)胞,為什么不干脆使用能分化出機(jī)體任何細(xì)胞的全能干細(xì)胞呢?因?yàn)槿绻胍獑我黄鞴俚念惼鞴?,使用相?yīng)的多能干細(xì)胞來分化顯然是更直接更容易的;全能干細(xì)胞雖然全能,卻不好把握誘導(dǎo)的方向,過高的全能性反而令培養(yǎng)不容易成功。

我們?yōu)槭裁葱枰惼鞴??因?yàn)閭鹘y(tǒng)的2D平板培養(yǎng)已經(jīng)不足以支持更復(fù)雜的研究,科學(xué)家們需要更為復(fù)雜,更接近真實(shí)情況的模型,于是類器官應(yīng)運(yùn)而生。打一個(gè)比方:如果說器官(人或者動(dòng)物的)是一棟完整的,真實(shí)的大房子,那么以往的平板培養(yǎng)的細(xì)胞就像許多磚塊或者許多瓦片沒什么條理地?cái)[在一起,而類器官就像是用磚塊搭一個(gè)縮小版的房子,也就更好復(fù)原房子里的規(guī)劃和擺設(shè)。這樣一來,研究“房子”就更容易,更方便了,研究結(jié)果也更接近真實(shí)的情況。

不過,類器官并不完全長得像微縮的器官。它們看起來更像一個(gè)個(gè)小小的(最大也只有幾毫米),形狀規(guī)則或者不規(guī)則的團(tuán)。為什么呢?受到體外環(huán)境的限制,又缺少一些體內(nèi)有的支撐結(jié)構(gòu),類器官?zèng)]辦法長得太大,因此細(xì)胞數(shù)量少、種類少。盡管如此,類器官仍然可以稱得上“麻雀雖小,五臟俱全”,在精心的培養(yǎng)下,分化出不同種類的細(xì)胞可以組裝成類似于器官的空間結(jié)構(gòu)。

類器官不僅可以展現(xiàn)“房子”的結(jié)構(gòu),更是能復(fù)現(xiàn)器官的一些功能——畢竟“結(jié)構(gòu)決定功能”嘛。例如,科學(xué)家們已培養(yǎng)出能搏動(dòng)的心臟類器官,在顯微鏡下清晰可見它一下一下地搏動(dòng)著;還有能生長出毛發(fā)的毛囊類器官,顯然,如果它進(jìn)一步發(fā)展,無疑將成為脫發(fā)者的福音!小小的類器官,讓科學(xué)家們?cè)僖矡o需為稀缺的人體器官來源發(fā)愁,而且還可以模擬體內(nèi)的微環(huán)境,讓類器官展現(xiàn)出類似在體的狀態(tài),也許在某種程度上比真實(shí)的取出體外的器官還更甚一籌。

類器官如此神奇,那么它能給我們帶來什么呢?

首先,使用類器官進(jìn)行研究,有利于進(jìn)一步研究器官的結(jié)構(gòu)和功能,甚至有可能幫助人們進(jìn)一步理解器官的發(fā)育過程。盡管微小的類器官并不能完全代表原位器官真實(shí)的情況,但勝在無需面對(duì)人體實(shí)驗(yàn)的倫理問題,而且比動(dòng)物模型更接近人體;此外,類器官可以在相同的條件下大批量制作,從而得到狀態(tài)相近的結(jié)果,這樣可以支持重復(fù)或不同條件的實(shí)驗(yàn),是更有利于進(jìn)行科學(xué)研究的。

其次,類器官可以模仿器官,來進(jìn)行一些疾病和藥物的實(shí)驗(yàn)。既然結(jié)構(gòu)和功能與真實(shí)的器官類似,那么對(duì)疾病和藥物作出的反應(yīng)也理應(yīng)是相近的。舉個(gè)例子,使用不同基因型的細(xì)胞來構(gòu)建類器官,再模擬同一種疾病,就可以得到不同基因型的人對(duì)同一疾病的癥狀,從而向?qū)ΠY下藥又邁進(jìn)了一步。進(jìn)一步來說,在治療時(shí)使用患者的細(xì)胞來構(gòu)建類器官,再對(duì)培養(yǎng)出的類器官們使用不同的藥物,就可以擇取效果最明顯的藥物組合,不僅能避免過強(qiáng)副作用的風(fēng)險(xiǎn),還能實(shí)現(xiàn)針對(duì)患者的個(gè)性化醫(yī)療,大大提高治愈的可能性。這樣的特點(diǎn),讓類器官在腫瘤治療領(lǐng)域大放光彩。

最后一點(diǎn),不妨放開來想象:倘若能把類器官培養(yǎng)成與真實(shí)器官無二的樣子,具有相同的體積和功能,那么器官移植就再也無需擔(dān)心排異反應(yīng),也不必再排隊(duì)等待匹配的捐獻(xiàn)者——患者只需要取一點(diǎn)干細(xì)胞,在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)長大,就可以獲得完全適用于自己身體的,全新的器官——等到那時(shí),一定會(huì)開啟器官移植的新時(shí)代。

現(xiàn)在,還有一些生物公司將制作好的類器官裝載成類器官芯片,科學(xué)家們只需要直接購買就可以獲得高度同一性,形狀穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)材料。與此同時(shí),科學(xué)家們也在嘗試開發(fā)越來越多種類的類器官,并構(gòu)建它們之間的聯(lián)結(jié)互作,來適應(yīng)更多的研究問題。

盡管目前類器官的研究還沒有完全成熟,面臨著分化程度不夠、體積難以擴(kuò)大、缺少與其他器官互作環(huán)境的問題,與真實(shí)的體內(nèi)情況有一定差距。但隨著研究的深入和技術(shù)的突破,這些問題一定能夠逐步解決,讓類器官成為科研和醫(yī)療進(jìn)步的強(qiáng)大推手,為人類帶來更加光明燦爛的未來。