培养皿中的“大脑”－慢慢增长的智慧
2016-12-28 艾叶 , 李子 醉心科学
一直以来，人们传统印象中的培养皿都是培养细菌或者细胞的载体，但是在2013年夏天，各大社交网络都争相报道科学家们在培养皿中培养出了迷你的人类大脑。而与此同时，迷你心脏，迷你肝脏等等报道也层出不穷。这些只在科幻小说中出现的情节成真了？普通读者们议论纷纷，甚至有人猜测雪莱夫人笔下的弗兰肯斯坦的故事即将上演。媒体报道自然不乏骇人听闻的噱头，但是科学研究的事实又隐藏在高冷的论文背后，这个时候就需要科普
一直以来，人们传统印象中的培养皿都是培养细菌或者细胞的载体，但是在2013年夏天，各大社交网络都争相报道科学家们在培养皿中培养出了迷你的人类大脑。而与此同时，迷你心脏，迷你肝脏等等报道也层出不穷。这些只在科幻小说中出现的情节成真了？普通读者们议论纷纷，甚至有人猜测雪莱夫人笔下的弗兰肯斯坦的故事即将上演。
媒体报道自然不乏骇人听闻的噱头，但是科学研究的事实又隐藏在高冷的论文背后，这个时候就需要科普这一赫尔墨斯为大家答疑解惑了。
其实不论是报道当中的迷你大脑或者是迷你心脏等等，都有一个共同的名字，叫做类器官体，英文名字是organoid，科学的定义是“一种由干细胞或者器官祖细胞发育得到的器官特异性的细胞集合体，这种细胞集合体能够模拟在体器官的细胞分化和空间构成”。简单来说，就是使用具有多潜能的细胞，培养出与在体器官类似的一个个“小球”。当然了，这些小球直径最大也不超过几毫米，和在体器官还是不可相提并论的。
由于类器官体是“小球”，大家不难想象，类器官体都是一个个货真价实的“三维”物体。传统的方式大多是贴壁培养细胞，这就限定了细胞的生长延伸方向只能是平行于培养皿底部，得到的自然是“二维”细胞或者克隆，与生物在体的三维发育，还是有很大的距离的。类器官体培养方式是不贴壁的悬浮培养法，得到的小球无论在平行或者垂直于培养皿底部的方向上都可以生长延伸，这种方法就有助于我们在体外模拟体内的细胞发育，更好的获得与器官相类似的结构。
研究者们的“脑洞”
其实类器官体（organoid）的说法已经由来已久，培养方法也并非最近才被人们发现。根据pubmed上的搜索结果显示，类器官体这一说法最初在1946年就已经被使用了。而类器官体培养的雏形则在1907年就已经出现，当时威尔逊为了研究细胞的识别机制，对海绵进行了机械解离，之后又让这些机械解离之后的海绵碎片自己重新再聚集。
虽然威尔逊的研究目的不是为了在体外生成类器官体，但是这种“解离之后再聚集”的实验方法被后续的研究者们继承了下来。之后的研究者们为了更加方便的研究器官的发育细节，会在体的分选出仍旧保持了形成器官能力的被我们称为器官祖细胞的细胞们进行离体的培养。同时研究者们为了能够比较准确的模拟器官的在体发生过程，选择了再聚集的悬浮培养方法。
当然了，通过生物学研究可以达到治疗疾病的目的是科研的终极目标之一。在研究的过程中，也有研究者提出是否可以将这一培养得到的“小球”们用于医疗领域。但是由于当时条件有限，培养使用的细胞大多是来自于在体筛选所得的细胞，无论是细胞的纯度还是稳定性都有一定的不足，所以这些想法也就只限于研究者们的“脑洞”当中了。
与任何一项技术相类似，繁盛一时的类器官体研究由于新的研究方式不断出现而逐渐被人们淡忘。
新的时代，新的机遇
2006年，一个影响深远的细胞技术闪亮登场，并且在诞生后的第六年就迅速获得了诺贝尔生理和医学奖——细胞重编程技术。
大家都知道，哺乳动物个体都是由受精卵发育而来的。受精卵以及胚胎发育早期的部分细胞被称为干细胞，这类细胞在发育中形态功能不断发生特异性的改变，最终形成生物个体中所有类型的细胞，这个过程也被称为分化。一直以来，人们都认为生物体中的已经分化完全的细胞不再具有重新成为干细胞的能力。
细胞重编程技术证明通过调节基因表达，生物体内已经完全分化的细胞可以返老还童，重新形成多潜能的干细胞。
这样诱导获得的干细胞能否真的分化成为所有的体细胞呢？带着这样的疑问，研究者们精心设计了诱导多功能干细胞分化的每一个步骤，最终果然不负众望，多篇文献都证明这种干细胞可以分化得到人们希望的细胞类型。
当然，为了保证细胞分化过程中条件稳定可控，这些分化都是在“二维”条件下贴壁完成的。如果使用类器官体的培养方式进行分化呢？研究者们却在这个问题面前望而却步，认为多能干细胞太灵活，若是使用三维的培养方法，细胞与细胞之间的相互干扰，势必会影响分化的效率，最终只能得到“四不像”的结果。
纸上得来终觉浅，须知此事要躬行。虽然有着以上这些顾虑，仍旧有研究者义无反顾的进行了尝试。第一个吃螃蟹的人就是日本研究者笹井芳樹（Yoshiki Sasai）教授。笹井教授在2008年发表的第一篇文章中研发了一种被他称为SFEBq（serum-free floating culture of embryoid body-like aggregates with quick reaggregation，无血清悬浮培养快速再聚集拟胚体样细胞聚集体）的特殊方法对胚胎干细胞进行诱导。
这种方法的名字晦涩难懂，简单来说就是通过悬浮培养由干细胞聚集形成的“小球”（被称为拟胚体，embryonic body），并在早期适当的加入一定量的生长因子诱导（而非在细胞培养全程进行强制性的诱导），细胞的聚集体可以自发的形成与皮层类似的结构。
虽然仅仅是皮层类似的结构，“小球”们还不具有其他的脑部结构，同时笹井教授也并未在文中提到类器官体一词，不过大家还是公认，这篇文章是新型类器官体研究的开山作之一。
方兴未艾的类器官体研究
得到这一结果的笹井教授十分兴奋，并且对于是否能够将这种方法应用于更多生物体脑区的体外建立跃跃欲试。
在2011年和2012年，笹井教授连续发表了两篇文章，介绍了他分别使用小鼠和人类胚胎干细胞通过SFEBq方法获得了与视网膜类似的结构。这两篇文章的亮点不仅仅在于证明了SFEBq方法在神经系统类器官体研究上的普适性，更在结果当中指出虽然人类视网膜类似结构与小鼠的培养方式相类似，但是人干细胞分化所需时间更长，分化出的结构体积更大，同时存在更多类型的细胞。这一结果充分说明了，只要使用了恰当的分化条件，类器官体的分化可以在一定程度上可以很好的模拟器官的在体发育过程，为部分复杂疾病的发病机制提供线索。
不知是否是受到笹井教授08年工作的启发，还是真如各大新闻报道中说的有如神助的巧合，在2013年夏天，Juergen A. Knoblich教授及其实验室的博士后Madeline Lancaster在自然杂志上发表了一个轰动性的结果，他们通过特定的分化条件，得到了具有视网膜，背侧皮层，腹侧前脑，中脑-菱脑分界，脉络丛和海马等区域的类大脑器官体，并且这些区域的发育也具有与在体类似的过程。看到这么多的大脑结构都可以在他们的培养当中以具有一定空间特异的方式重现，人们不禁惊呼果然是“迷你大脑”呀。
“迷你大脑”不仅可以在时空上很好的模拟大脑多个区域的分化过程，Lancaster博士还在文章中巧妙利用了诱导多功能干细胞的特性，通过对头小畸形病人的诱导多功能干细胞进行诱导，发现他们得到的类脑器官可以较好的作为头小畸形疾病的研究模型，同时可以对其进行模拟治疗。
当然了，如火如荼的类器官体研究不仅仅在神经科学领域取得了很多突破性的成果，在生物体的诸如消化系统，泌尿系统的器官模拟上也取得了许多重大成果。
类器官体的未来前景
自2008年以来，类器官体的研究愈来愈被人们所重视，原因当然不仅仅在于类器官体的模拟能力，可以很好的有助于人们对器官发育的进一步了解，更重要的原因是类器官体在疾病治疗方面的潜能逐渐被发掘。
现今的疾病研究，很大一部分依赖于动物模型的建立，但是很多疾病由于动物模型难以获取或者动物模型与人类之间的差异，导致研究的困难。诱导性多功能干细胞与类器官体培养方式相互结合，可以很好的解决以上问题。当然了，这也就要求人们发现更多类型的类器官体的培养方法。
同时，干细胞治疗的一大方向就是进行干细胞移植治疗，但是移植细胞的成活效率还较低。有研究者也提出是否能够直接进行类器官体移植，保证移植细胞的活性。已经有实验室在进行类器官体中生成血管的尝试，期待使用类器官体进行损伤部位的直接重建。
虽然类器官体至今取得了许多令人惊喜的进展，但是依旧面临着许多亟待解决的问题，例如类器官体存在分化效率较低，得到的细胞纯度不够等问题。大家都期待研究者们能够在不久的将来将这些困难一一克服，最终达到疾病治疗的目的。
原始出处：
1.using organoid technologies. Science 345, 1247125, doi:10.1126/science.1247125 (2014).
2.Clevers, H. Modeling Development and Disease with Organoids. Cell 165, 1586-1597, doi:10.1016/j.cell.2016.05.082 (2016).
3. Eiraku, M. et al. Self-organized formation of polarized cortical tissues from ESCs and its active manipulation by extrinsic signals. Cell stem cell 3, 519-532, doi:10.1016/j.stem.2008.09.002 (2008).
4. Eiraku, M. et al. Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture. Nature 472, 51-56, doi:10.1038/nature09941 (2011).
5. Nakano, T. et al. Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs. Cell stem cell 10, 771-785, doi:10.1016/j.stem.2012.05.009 (2012).
6. Lancaster, M. A. et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature 501, 373-379, doi:10.1038/nature12517 (2013).
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