什么是類器官?

作者:    所在單位:中國科學技術大學

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

它的原料是成體干細胞或者多能干細胞,加上特定的微環(huán)境培養(yǎng)而出。使用干細胞的目的是分化出多種類型的細胞,并讓它們組裝成類似真正器官的結構。那么,既然想要多樣的細胞,為什么不干脆使用能分化出機體任何細胞的全能干細胞呢?因為如果想要單一器官的類器官,使用相應的多能干細胞來分化顯然是更直接更容易的;全能干細胞雖然全能,卻不好把握誘導的方向,過高的全能性反而令培養(yǎng)不容易成功。

我們?yōu)槭裁葱枰惼鞴伲恳驗閭鹘y(tǒng)的2D平板培養(yǎng)已經不足以支持更復雜的研究,科學家們需要更為復雜,更接近真實情況的模型,于是類器官應運而生。打一個比方:如果說器官(人或者動物的)是一棟完整的,真實的大房子,那么以往的平板培養(yǎng)的細胞就像許多磚塊或者許多瓦片沒什么條理地擺在一起,而類器官就像是用磚塊搭一個縮小版的房子,也就更好復原房子里的規(guī)劃和擺設。這樣一來,研究“房子”就更容易,更方便了,研究結果也更接近真實的情況。

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個小小的(最大也只有幾毫米),形狀規(guī)則或者不規(guī)則的團。為什么呢?受到體外環(huán)境的限制,又缺少一些體內有的支撐結構,類器官沒辦法長得太大,因此細胞數量少、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胞可以組裝成類似于器官的空間結構。

類器官不僅可以展現“房子”的結構,更是能復現器官的一些功能——畢竟“結構決定功能”嘛。例如,科學家們已培養(yǎng)出能搏動的心臟類器官,在顯微鏡下清晰可見它一下一下地搏動著;還有能生長出毛發(fā)的毛囊類器官,顯然,如果它進一步發(fā)展,無疑將成為脫發(fā)者的福音!小小的類器官,讓科學家們再也無需為稀缺的人體器官來源發(fā)愁,而且還可以模擬體內的微環(huán)境,讓類器官展現出類似在體的狀態(tài),也許在某種程度上比真實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,使用類器官進行研究,有利于進一步研究器官的結構和功能,甚至有可能幫助人們進一步理解器官的發(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的情況,但勝在無需面對人體實驗的倫理問題,而且比動物模型更接近人體;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)相近的結果,這樣可以支持重復或不同條件的實驗,是更有利于進行科學研究的。

其次,類器官可以模仿器官,來進行一些疾病和藥物的實驗。既然結構和功能與真實的器官類似,那么對疾病和藥物作出的反應也理應是相近的。舉個例子,使用不同基因型的細胞來構建類器官,再模擬同一種疾病,就可以得到不同基因型的人對同一疾病的癥狀,從而向對癥下藥又邁進了一步。進一步來說,在治療時使用患者的細胞來構建類器官,再對培養(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,不僅能避免過強副作用的風險,還能實現針對患者的個性化醫(yī)療,大大提高治愈的可能性。這樣的特點,讓類器官在腫瘤治療領域大放光彩。

最后一點,不妨放開來想象:倘若能把類器官培養(yǎng)成與真實器官無二的樣子,具有相同的體積和功能,那么器官移植就再也無需擔心排異反應,也不必再排隊等待匹配的捐獻者——患者只需要取一點干細胞,在實驗室中培養(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,一定會開啟器官移植的新時代。

現在,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)定的實驗材料。與此同時,科學家們也在嘗試開發(fā)越來越多種類的類器官,并構建它們之間的聯結互作,來適應更多的研究問題。

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、體積難以擴大、缺少與其他器官互作環(huán)境的問題,與真實的體內情況有一定差距。但隨著研究的深入和技術的突破,這些問題一定能夠逐步解決,讓類器官成為科研和醫(yī)療進步的強大推手,為人類帶來更加光明燦爛的未來。