身体器官比任何工厂都来得复杂。研究人员试图在实验室里复制器官的生理机能，进一步捕捉到器官之间错综复杂的关系。
干细胞可以经过哄骗而组成被称为“类器官”的有组织细胞丛，譬如图中的大脑模型
为了寻求在实验室里制造出器官，研究人员已经取得很大的进展。工程化组织早已在医学研究中获得应用，甚至还进入了临床试验。然而，这些工程化组织比真正的器官简单得多。实验室里要制造出胃的话，可能会用3D打印技术制造出模型，再在上面播种下合适的细胞。但是，缺少了血液流动以及与其他组织相互作用所提供的刺激，最终的成果只会是一尊胃形状的死雕塑，既不能消化，也没法咕咕叫。器官不仅仅是一群细胞以某种特定布局排列好：它还有支撑细胞的支架、运送营养和信号分子的血管，以及一套错综复杂、能对内部和外部刺激做出反应的控制功能。
美国国立卫生研究院的罗斯玛丽·亨齐克（Rosemarie Hunziker）说，所有这些情况使得研究人员难以在实验室里构造出具备功能、生理上相似的器官。她在研究院里掌管着那些致力于人工器官系统设计和制造的研究项目的资金。不过，组织工程师正在着手解决这个难题。为了试图攻克器官的生物学复杂性难题，他们从各种不同的构造方法中选择尝试。一种方法是将细胞放置在复杂、但仍属简化的器官模型里，那些模型的大小犹如显微镜载玻片。接下来，这些器官模型可以连接在一起，探究器官之间是如何相互作用的。这类微小的“器官芯片”提供了独特的机会，令研究人员可以了解器官的运转和器官疾病，并可运用在候选药物的毒性测试中。另一种方法是培养出细胞的自组装能力，希望它们会重演实际的器官发育过程，并让研究人员得以一窥其中奥秘。
不管采取哪种策略，研究者都可以从生物学上简单的方法着手，然后一次给模型增添一点复杂性。只是，人造器官需要与真实器官多相似？这取决于研究者要探寻什么问题的答案，亨齐克说道。人造器官的外形也许与活体器官截然不同，但仍然能在药物测试和基础研究中发挥用处。不管目标是弄清器官的奥秘还是为了替换器官，最终目的都是创造出一套能和真实器官系统一样可靠运行的工程化器官系统，亨齐克补充道。
全球的研究者们正在利用这些人造器官系统来弄清许多重要的问题。比如说，人造器官系统有助于揭示出癌细胞如何脱离肿瘤并侵犯其他组织，也使得科学家可以重演疾病发展和器官发育的过程，譬如神经发育失调中的偏差。
系统性思考
目前最为工程化的器官模型是那些看起来最不像真实器官的“器官芯片”。它们的制造过程中使用了与制造电脑里的硅基微芯片相似的技术。首先，在硅片上铺一层光敏材料，再用紫外线在硅橡胶上依照自己想要的图案刻出沟槽。在它的引导下，在一片电脑存储卡大小的矩形橡胶板内构建出三维空管道网络。管道内播种上想要的几类细胞，再联接上泵机和外部流体源，以此提供液体入口和出口，科学家凭此能够模仿血液流动，递送营养和环境信号。液体不断流动的灌注法能反映出器官内的必威在线网站首页网址 环境。这种结构也让生物工程师们能够调节组织硬度以及力学、化学和电刺激，从而再现出细胞在健康或生病状态下可能收获的信号，位于田纳西州纳什维尔的范德堡大学的约翰·威克斯沃（John Wikswo）如此介绍。比方说，研究人员往器官芯片的管道里加入被称为“细胞因子”的信使分子，甚至加入活的免疫细胞后，就能再现出发炎――接着就能观察到炎性反应，大多数组织在受伤或受到感染时都会出现炎性反应。
位于马萨诸塞州波士顿的哈佛大学魏斯生物工程研究所所长唐纳德·因格贝尔（Donald Ingber）表示，这些芯片通常都是透明的，使得研究人员可以拍摄高解析度的实时细胞影像。肝脏、肾脏、肺、肠、脂肪、肌肉和血脑屏障都已经能用芯片形式表现出来。
如今研究者把不同芯片组合在一起，构成多器官系统，这样能复制出部分的人体生理系统。在位于纽约市的哥伦比亚大学，由戈尔达娜·武尼亚克-诺瓦科维奇（Gordana Vunjak-Novakovic）率领的团队正在制造心脏―肝脏―血液系统的模型，并用这个模型来研究药物毒性和疾病。范德堡大学的威克斯沃和匹兹堡大学的同行一起把器官芯片联接在一起，预测潜在有毒的化学物质和药物的影响。他相信“肝脏―肾脏”模型可以在一种药物到达人体测试之前就弄清它的安全问题，因为药物毒性首先会在肝脏和肾脏中变得明显。为了模仿人体内健康或疾病的状况，研究者可以在三维支撑结构里种植下合适的细胞，探究它们对递送到系统内的刺激的反应，威克斯沃说道。
亨齐克说，成功模仿的关键在于对微结构的关注。把肝脏细胞小心翼翼地放置在芯片上，这样能更好地复制出真实的肝脏组织。真实的肝脏里存在不同的区域，与主要血液供应源的距离或近或远，这些区域在活跃基因上有所不同，结果就是细胞发育和行为上的不同，对化学应激的反应也有所不同。
因格贝尔称，微观器官系统让以前在细胞培养基、动物或人类身上无法完成的实验得以实现。在器官芯片上铺上来自不同病人的细胞，使得研究者能够评估不同人之间、健康和生病之间的生理差异，而且更为详细，可以实现更长的观察周期，远远超过用人体或动物模型来做实验时的实际做法。因格贝尔的研究团队已经让多器官芯片持续运转了一个多月。有了器官芯片的帮助，就可以调整参数，观察会发生什么情况，而在病人身上不可能那么做。
哈佛大学魏斯生物工程研究所许东恩（Dan Dongeun Huh）在追踪肺脏芯片上的细胞事件
好几家实验室已经组建了子公司，将他们研制的组织模型做商业开发。在马萨诸塞州坎布里奇市，由因格贝尔创立的Emulate公司正在研发用于高通量药物筛选和毒性测试的器官芯片系统。位于马萨诸塞州美德福德市的Hepregen公司由麻省理工学院的生物工程师桑吉塔·巴蒂亚（Sangeeta Bhatia）参与创建，采用“微图形化”技术来研发肝脏模型，不同的细胞类型被准确地放置好，生成芯片平台。它准确地模拟出肝脏的复杂性。这些芯片系统被研发出来为药物筛选实验服务。两名来自弗吉尼亚大学的科学家创建了“HemoShear医疗”这家位于弗吉尼亚州夏洛茨维尔的公司，这家公司研发出好几种器官模型系统，包括一套专门模仿组织内血液流动的系统。今年一月，HemoShear公司开始与纽约制药公司辉瑞合作，双方共同寻找更好的预测血管损伤情况（譬如候选药物可能引起的发炎）的方法。
目前，许多实验室无法接触到微加工技术。然而，有些公司向那些没有必要设备或专门知识的实验室提供制造芯片的服务。许多大学通过核心服务中心提供微加工的能力。与此同时，前沿的实验室正努力让工程化的芯片成为活细胞更好的家园。一项挑战是如何在芯片各处均匀地播种下细胞，让它们只在狭小的管道内生长，因格贝尔说。另一项挑战在于，系统内的气泡会伤害细胞。
三维技术
和器官芯片对比起来，在软支架结构上放置细胞的产物会是外观更像真实器官的人造器官。这种方法会混合多种人造材料来制造支撑系统，接着在上面播种下细胞，细胞在支架各处生长发育，从而变成研究人员想要的排列方式。在这个领域早期的众人皆知的一个范例中，麻省理工学院的琳达·格里菲斯（Linda Griffith）、麻省总医院的查尔斯·瓦坎蒂（Charles Vacanti）与同事一起利用了植入小鼠皮肤下面的这种支架结构，引导牛软骨组织形成细胞生长出人类外耳样子的组织。当组织成型后，支架结构里的聚合物降解掉，留下由软骨组织构成的结构。
如今，格里菲斯和她的团队利用一台定制的3D打印机来制造出十分复杂的组织支架结构。打印机的喷嘴里喷射出液体状的光敏性聚合物，一次会有一层聚合物曝露在紫外光下，让结构稳定。材料在不断重复的过程中变成微观基础结构。
科学家们也研发出了多种模仿力学刺激的办法，这些力学刺激在组织发展中看起来是至关重要的。比如说，在哺乳动物胚胎里，早期的牙齿发育包括了胚胎细胞要紧紧挤在一起。为了模仿这个步骤，因格贝尔的实验室已经研发出一种特殊的聚合物，在某个温度下表现得像塑料收缩膜一样。当聚合物被加热到身体温度时，它会收缩并裹紧它包住的细胞，这样就激活了那些负责牙齿发育的基因。因格贝尔说，生物工程师可能使用这种材料针对多种治疗来引导组织发育，因为软骨组织和内脏（譬如肺和肾脏）在发育时也经历过细胞压缩。
把血液流动融入模型器官里特别具有挑战性，尤其是当研究人员试图模拟心脏时。心脏在一生中都会有节奏地泵动。然而，组织工程师正在努力寻找可以帮助治愈受伤心脏的疗法，最终或许能找到心脏移植的替代方法。在东京女子医科大学工作的生物医学工程师冈野光夫和同事一起先从不包括支架结构的细胞片层技术着手，制成了血管化的心脏组织补丁。实验从薄层细胞开始，这些细胞由许多细胞类型长成，包括新生大鼠的心脏细胞、人类肌肉细胞和诱导性多功能干细胞。这些片层被培养在覆盖了热敏性聚合物的培养皿里。当温度降低后，研究人员可以获得一层层细胞薄层，这些细胞仍然彼此相联，并且没有任何支架结构，冈野光夫的同事清水达也说道。在仍然进行中的临床实验中，研究团队评估了30名接受了组织补丁移植的心脏病患者的情况。这些补丁是用肌肉细胞衍生出的细胞片层制成的。这些细胞片层会分泌出多种细胞因子，它们会促进血管形成，抑制患者心脏组织里的细胞坏死。清水达也和同事希望日后能用搏动细胞来移植组织。
但这些细胞片层仍然不是最理想的。理想的移植物需要有一定厚度，尤其是因为心脏病发作这样的突发状况会导致心脏组织变薄。研究团队已经回到了实验室，设计出更厚的补丁，这种补丁内会加入更多血管，应该会比之前的补丁存活更久。他们用人类诱导性多功能干细胞培育出细胞片层，再移植到大鼠的背部皮肤下面，构造出由30片细胞薄层组成、总计一毫米厚的细胞片层。移植之后，来自大鼠的小血管生长贯穿这些细胞层。把更小块的细胞层移进血管更为丰富的区域的话，研究者就能促使更多血管生长出来，最终将细胞片层直接连接到更大的血管，譬如颈静脉。在6个月的观察期里，心肌细胞一直在搏动。
然而，不能在人类身上实行类似的多轮次外科干预。于是研究者已经开发出一项依赖凝胶的新技术，在实验室里，可以让多层大鼠细胞片层在凝胶上生长。
冈野光夫及他的研究团队希望在未来有一天，人类会可能研制出这样的移植物，用于患有严重心脏衰竭的病患。这种方法也可以用来研制模仿肝脏或肾脏的组织。
自组装
其他研究团队更多地依赖细胞本身固有的组装成复杂结构的能力。悬浮中的干细胞可以被哄骗形成被人称为“类器官”的有组织细胞丛，而且制造这些“类器官”是为了不同组织，包括肠、肾脏和视网膜。“类器官”通常比实际器官小得多，直径只有几毫米，细胞类型也简单得多，但有些研究团队正在致力于让类器官拥有更多细胞类型和更复杂的结构，甚至企图模拟出最让研究者气馁的器官――大脑。
2013年，奥地利科学院分子生物技术研究所的玛德琳·兰开斯特（Madeline Lancaster）和于尔根·克诺布利希（Juergen Knoblich）制造出约为小扁豆大小的人类大脑组织类器官。他们从人类多功能干细胞群着手，把它们分化成神经组织。实验方案的部分奥秘还得让生物学来揭开。
在正确的情况下，分化了的细胞会自组装成一团紧致的神经组织，其中有着多种细胞类型，包括放射状胶质干细胞，大脑里诸如神经元这类的细胞都产生于此。这团神经组织甚至包括了原始的大脑结构，譬如前脑和视网膜的雏形。“我们差不多把神经组织的形成在培养皿里重演了一遍，让它像在胚胎中一样发育。”克诺布利希说道。
这些大脑类器官已经帮助研究人员应对一些难题，那些难题靠在培养皿表面培养神经元细胞是难以解答的。研究团队研究了人类神经发育失调症“小头畸形”，患病婴儿有着明显小于常人的大脑。尽管可以用小鼠来模拟这种病症，但动物实验并未显示大脑尺寸有格外的差别。然而，当研究团队把小头畸形患者身上取得的皮肤细胞重新设定成诱导性多功能干细胞，再由它发育成大脑类器官，最终产生的结构有着小头畸形病的明显特征。在这些类器官中，放射状胶质细胞增生得较少，在某些区域还过早地分化成了神经元细胞。即使在一般情况下，放射状胶质细胞在发育中的小鼠体内也没有像在人类体内那样增生，所以人类类器官是一种颇有前景的研究途径，研究人员可以凭此研究这些神经前体细胞是如何介入神经发育失调症的。
兰开斯特和克诺布利希还利用类器官来评估一个名叫CDK5RAP2、帮助引导细胞分化的基因的作用。患有小头畸形的病患的这个基因发生了突变，其结果大概就是出现异常的蛋白质。当研究团队把未受破坏的蛋白质引入类器官后，有些细胞发育成了与放射性胶质细胞同类的细胞类型，这表明该基因功能的丧失造成了小头畸形。
类器官技术仍然要面对众多挑战。兰开斯特和克诺布利希指出，他们的类器官缺乏血液供应，也缺少神经组织通常会和邻近组织发生的相互作用。随着时间流逝，类器官开始死亡，丧失与早期大脑组织的相似性。研究团队已经成功地让类器官存活了一年之久，但晚期的类器官对疾病模拟有多少用处？这个问题仍然有待亲眼目睹。
另一项挑战在于一致性，因为每一批次的类器官呈现不同的形状，克诺布利希说道。他们的实验室在继续完善生长环境，希望能克服这些问题，从而能模拟出更加复杂的神经发育疾病。
像胚胎一样
生物工程师们打算建构出一种能够窃取复杂的细胞间信号的器官模型。细胞间大量的生物化学和生物电信号会告诉细胞分化、迁移、改变形状或丛生在一起组成器官。这种办法早已被用来让青蛙重新长出腿来，而那些青蛙通常情况下年纪过大，已经无法从截去的腿上长出新下肢。马萨诸塞州的塔夫茨大学的生物医学工程师迈克尔·莱文（Michael Levin）领导的研究工作也许能更容易地移到人类身上：儿童能重新长出指尖，但大人做不到。
为了让青蛙的双腿重新生长，莱文和他的研究团队用化学方式修改了青蛙下肢里的电荷模式，使得它与年轻青蛙下肢内的生物电梯度相匹配，这诱使被截下肢末梢的细胞重新生长。他们也诱使扁形动物长出两个头部。研究团队所做的改变导致扁形动物的记忆发生永久改变，而扁形动物的记忆就像人类大脑里的记忆，是编码在电路里的。莱文描述这个过程是“操纵组织内的信息”，从而引起细胞生长和组成方面的、可以预测的大规模变化。他称这种方法“让培养任何玩意的差事都变得容易得多”。
莱文没有试图对器官建构进行细节管理，而是认为要利用身体本身的生长步骤。他和研究团队正在研发一本由数学模型和软件组成的生理学的“短语手册”。科学家可以利用这些软件工具来搜索可以在实验中操纵的因子，从而找到告诉细胞该建构什么组织的方法。最终的目标是把和基因、蛋白质、信号通路有关的数据集，器官如何成型、如何控制功能的知识都联系起来。莱文说：“这些会是生物工程师必不可少的工具，让他们能直面复杂性屏障，即便是在研究简单器官的产生。”
而说到底，工具有没有用才最重要，而不是研究人员选中的某种手段。工程化组织正开始允许研究人员做前沿的实验，甚至是器官替换疗法。在各种情况下，完美地复制自然器官也许不是实际需要的。亨齐克说：“关键点在于，器官具备足够的复杂性，能实现它的功能。”
无论是受损心脏的补丁，还是更好的毒性测试方法，或者能一窥摧枯拉朽的大脑疾病的奥秘，组织工程都能提供科学家一直以来梦寐以求的东西：那就是更透彻地认识器官，以及帮助大众的潜力。
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐