生物学家正在建设“器官银行”，并从中学习大量的人类发育相关知识。
在十一月的一个普通日子里，玛德琳·兰卡斯特（Madeline Lancaster）发现她意外地培养出一个大脑组织。几个星期以来，她一直在试着把人类胚胎干细胞培养成神经细胞团，这种细胞团能发育为不同种类的神经细胞。但出于某些原因，她的细胞没在培养皿中贴壁生长，而是漂浮在培养基中，形成奇怪的、乳状的小球。
“我其实不知道那究竟是什么。”兰卡斯特说，她当时只是维也纳分子生物研究所的一个博士后。然而，在2011年的那天，她观察到她那些小球的其中一个上面出现了一个有色斑点。在显微镜下，她发现那是发育中视网膜里的暗细胞，而视网膜是发育中的大脑产生的外部结构。把一个小球切开后，她从里面认出了好几种神经细胞。兰卡斯特意识到这些细胞已经明显组成了一个类似胚胎大脑的组织，她直接去找她的导师，干细胞生物学家尤尔根·克诺布利希（Jürgen Knoblich）去报告这个消息。“我发现了一些奇妙的东西，”她告诉他，“你快去看看。”
兰卡斯特和她的同事并不是第一个在培养皿中培养出脑组织的。早在2008年，日本的研究者报道他们使小鼠和人类的胚胎干细胞形成类似大脑皮层的分层的细胞球。从那以后，把干细胞诱导为器官雏形的试验就层出不穷。利用精细定时的化学信号，全世界的研究者们培养出了类似眼球、肠道、肝、肾、胰腺、前列腺、肺、胃，以及乳腺的三维结构组织。这些小块组织被称为类组织，因为它们的某些结构和功能跟真正器官一样，它们可用于研究人类发育、充当疾病模型和药物筛选平台，也许在将来还能取代受损器官（详情参见“类器官银行”）。“这可能是干细胞领域在最近五六年中最大的发展。”英国剑桥大学Wellcome基金会MRC干细胞研究所所长奥斯汀·史密斯（Austin Smith）说。
但目前的类器官还不够完善。其中一些缺乏必要类型的细胞；而另一些又只停留在器官发育的早期阶段，或者每个批次之间差异都很大。所以研究者们正在努力完善他们的类器官――让它们更复杂，更成熟，更有可重复性。但是，生物学家依然对这些小小的细胞如何自发组装成复杂的结构充满好奇。“那不需要任何复杂的生物技术，”克诺布利希说，“我们只是让那些细胞自由生长，它们就能长成一个脑组织。”
培育肠道
这应该不算一个大惊喜，澳大利亚昆士兰大学的分子生物学家梅丽莎·里透（Melissa Little）说，“胚胎本身就有惊人的自组装能力；也不需要什么模板或者蓝图。”上世纪末的胚胎学家就发现，把海绵打散成单细胞之后，它们可以自我组装。但这种工作已经过时了，现代生物学家致力于纯化和培养细胞，但多数是贴壁培养，并不能模拟正常的人类组织。
美国加利福尼亚州劳伦斯·伯克利国家实验室的肿瘤学家米娜·毕塞尔（Mina Bissell）认为，通过研究那些细胞来了解器官功能就像通过研究一堆砖头来了解一栋房子一样。“我们应该开始建房子了。”她说。毕塞尔关于乳腺细胞培养的研究表明，细胞在3D培养条件下跟传统平面培养的细胞有很大的不同。在2005年左右，这个说法受到了很大关注。日本神户理化学研究所发育生物学研究中心的干细胞生物学家笹井芳树（译者注：小保方晴子的导师，受小保方晴子造假事件牵连而自杀）对此起了很大的推波助澜作用，他在连续培养出大脑皮层、未发育视杯和垂体后受到举世关注。
笹井芳树培养出大脑皮层后仅仅一年，荷兰乌得勒支Hubrecht研究所的干细胞学家汉斯·克里夫斯（Hans Clevers）报道说他培养出微型肠道。这个大突破源于2007年的一次发现，当时克里夫斯和他的同事从小鼠体内分离出肠道干细胞。在体内，这些细胞可以无限分裂并更新肠道细胞，克里夫斯的博士后佐藤负责培养这类细胞。
比起贴壁培养细胞,师生二人更趋向于把细胞培养在一种类似于细胞外基质的果冻状基质中。“我们只是在尝试，”克里夫斯说，“我们希望得到一个细胞球或者细胞团。”几个月后，当克里夫斯看向佐藤让他看的显微镜时，发现那不是普通的细胞团。细胞已经分化为不同的细胞类型，形成了含有圆形突起的囊泡。他们还在囊泡内部发现了类似肠道绒毛和褶皱的结构。“这些结构让我们吃惊，因为这看起来太像真正的肠道了，”克里夫斯说，“它们太漂亮了。”
2009年发表的关于微型肠道的报道，也许会成为个体化医疗的重要手段。克里夫斯的团队用它们来研究治疗囊性纤维化药物的疗效，这种疾病是由于基因突变影响了离子通道，破坏了肺部和肠道水分正常进出细胞。研究者对患者进行直肠活检，提取肠道细胞，培养个体化的肠道类器官，然后进行药物试验。如果这种治疗能打开离子通道，水分会进入细胞，肠道类器官会肿胀。“这是个简单直白的分析。”克里夫斯说，这种方法比人体实验更加快捷，成本更低。
他正在用这个方法来检查一种叫依伐卡托（商品名：Kalydeco）的药物和其他五种治疗囊性纤维化的药物，而且参试患者多达一百人；其中至少有两人选择了用依伐卡托进行治疗。
类器官也可以帮助医生为癌症患者选择最佳治疗方法。今年年初，克里夫斯表示他已经建立一个用结肠肿瘤细胞培养起来的类器官银行，而纽约冷泉港实验室的肿瘤学家大卫·图弗森（David Tuveson）,跟克里夫斯用胰腺癌患者的活检样品培养胰腺类器官。在上述两种情况，类器官都能用于筛选特定肿瘤的最佳药物。“患者寻求的是最适合自己的治疗方法，”图弗森说，“我很高兴我们正在研究这个。”
小型胃部
发育学家詹姆斯·威尔斯（James Wells）去年报道说他和他的团队培养出跟人类胃部相似的类器官。
威尔斯和克里夫斯使用的原材料不同，克里夫斯用分化能力有限的成体干细胞培养类器官，而威尔斯在美国俄亥俄州辛辛那提儿童医学中心工作，他和同事用具有多能性的胚胎干细胞培养类器官。因此，他们能培养出更加复杂精细的微型类器官。
十年前，威尔斯和他的同事们开始尝试把人类胚胎干细胞培养成肠道细胞。当他们团队研究两个关键的信号通道时，细胞层长出了极小的圆形细胞芽。威尔斯注意到这些“球体”跟胎儿发育四周后形成的原始消化管片段很像。这个发现令人激动，因为他意识到这可以作为研究不同类器官的起点。“你体腔中的每一个器官――食道、肺、气管、胃、胰腺、肝脏、肠道和膀胱都可以由这原始消化管发育而来。”他说。
威尔斯和他的同事们根据文献和多年经验，找出了能控制这些肠管发育为特定器官的化学信号。根据这个办法，他们团队在2011年培养出了第一个人类类器官，一块芝麻大小的肠组织。但培养胃部组织更加困难。人类的胃有两个关键部分：顶部分泌胃酸的部分和底部产生关键性消化激素的胃窦，控制这两者发育的信号通道相互拮抗，机制尚未清楚。而且，“人类的胃跟多数实验动物的胃都不一样，所以目前没有理想的动物模型。”凯尔·麦克拉肯说。他曾是威尔斯的研究生，现在是该医学中心的医学生。
研究者们选择了一条试错策略：不断提出猜想并千辛万苦地试验各种生长因子组合配方。最终，他们的努力有了回报。
在2014年发表的一篇文章中，威尔斯和他的团队公布他们培养出类似胃窦的类器官。用这个作为研究模型，该团队发现了促进胃底发育的化学信号。现在研究者们正在研究一些关于胃部发育和生理功能的基础性问题，比如说什么因子调节胃酸分泌。另外他们正在尝试用这种原始消化管培养出其他微型器官。
这项研究人类发育的新发现让剑桥大学格登研究所的发育遗传学家丹尼尔·圣·约翰斯顿（Daniel St Johnston）兴奋不已。“你可以全程目睹这项细胞自组装成复杂的结构，”他说，这在人体胚胎中不可能发生，但是多数类器官都是结构简单的组织，这限制发育学家去进一步研究，“还有很多问题是我们无法解答的，因为那涉及到完整器官的生理活动。”
肾脏雏形
梅丽莎·里透花了十多年来研究肾脏的复杂性。“在成人体内，大概有25-30种不同的细胞类型,各行其职。”她说。被称作肾单位的管状结构从血液中过滤液体，生成尿液。肾单位周围的基质形成了复杂的毛细血管网，运送尿液。
2010年,里透和她的同事们试着把胚胎干细胞培养成肾单位的祖细胞。三年来，他们尝试了无数种生长因子组合配方和给药时间控制。“需要艰辛的努力才能取得成功。”她说。但最终在2013年，他们团队终于配制出成功的配方。里透本来只想培养祖细胞，但她发现培养皿里有两种类型的细胞，自发组成了胚胎里的结构。“那一刻，真是难以置信。”她说。
这种类器官更像是胚胎中的肾脏，而不是成体肾脏：那是一堆肾单位祖细胞和集尿管前体细胞的组合。“如果你想让它们发育得更加成熟,那可是个大难题。”里透说。所以她的团队致力于培养更加复杂的、有血管和间质的肾脏结构。然后，他们的期望变成了把微型器官移植到老鼠体内看它们是否能在老鼠身上分化成熟，产生尿液。“我很期待我们的实验结果。”里透说。
由于肾脏在药物代谢和排泄中起重要作用，里透认为她培养出来的微型肾脏可以在新药物用于临床之前检测药物毒性。研究者们说其他人类类器官，比如心脏和肝脏，也同样能用于药物筛选中的毒性检测――这比传统组织培养和动物实验更能反映药物对器官的作用。
但是，纽约哥伦比亚大学的干细胞学家沈明琨也曾培养出前列腺类器官，而他怀疑这些器官模型是否能完全取代动物实验。比如说，动物实验能显示疗法对免疫系统的影响，而目前的类器官检测就不能做到这点。“你会希望用体内实验验证你的实验结果，”他说，“我认为这是个严谨的实验。”
微型肝脏
武部贵则在纽约度过一段低峰期之后，培养出一个肝脏，这极大鼓舞了他。2010年，他在哥伦比亚大学器官移植分部工作，眼睁睁看着肝病患者因为没有移植用的器官而死去。“那让人伤心。”他说。当他开始研究组织工程时，他认为这种把细胞种在人工支架上的常规方法注定要失败。他认为问题有一部分是因为成体肝细胞太难生长，“它们在培养基里活不过几小时。”
武部在日本横滨大学找了个研究职位，决定研究诱导性多功能(iPS)细胞，这是一种成体细胞经过重编程后变成的类似胚胎干细胞的细胞。他把人体iPS细胞诱导成肝脏前体细胞，或者肝胚细胞。在胚胎中，肝胚细胞需要周围细胞分泌的复杂调控信号才能分化成熟，而武部怀疑培养皿中的肝组织是否也需要这些支撑细胞。他和他的同事们把肝胚细胞和这些被称为间充质细胞或者中胚层细胞的细胞混合培养――他成功了。他们团队培养出一种小扁豆大小，类似六周大的胎儿肝脏的“肝芽”。研究者们继而发现，这种结构跟成体肝细胞不一样，它能在培养基中存活两个月。
一个肝芽跟一个由数百亿个肝胚细胞组成的有肝叶、重量达标的完整肝脏相比还相差甚远。但武部设想，假如他能把成千上万个肝芽注入衰竭的肝脏，他也许能在不进行器官移植的情况下恢复肝功能。这个手术在老鼠身上成功了。武部和他的团队把一打肝芽移植到老鼠腹腔，看到了明显成效。在两天时间里，这些肝芽已经跟老鼠自身血管联通，而且这些细胞团发育成能产生肝脏特异性蛋白、进行药物代谢的成熟肝细胞。为了模拟肝衰竭，实验团队用毒素让动物自身肝脏坏死。一个月后，空白对照组的老鼠多数死亡，但多数进行肝芽移植的老鼠都活了下来。
武部和他的团队希望能在四年内开展人体实验。“我们的试验对象将是急需肝脏移植的儿童患者。”他说。他和同事们目前正在大量培养能从门静脉注射到肝脏的微型肝芽。武部认为这个时间安排是“可行的”。但史密斯说这过程太仓促,而且这些器官的生物学功能必须彻底研究透彻了才能用于临床。“这就像你还没学会走就想跑一样。”他说。
生物学家知道这些微型器官对真正器官来说是非常粗陋的。“但这给了他们一个目标，”美国北卡罗来纳州维克森林再生医学研究所所长安东尼·阿塔拉（Anthony Atala）说，“从长远来看，我们将会培养出越来越完善的人类器官。”这个领域已经集中了发育生物学家、干细胞学家和临床医学家。现在他们的目标是培养更复杂的器官――更大，含有很多的细胞类型。
威尔斯说目前培养出来的类器官雏形仍然不能用于动物模型，因为动物体内的细胞信号通路太复杂了。“但在培养皿中却很成功，”他说，“我们只要用化学物质和蛋白诱导这些细胞就可以了。”
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐