什么是类器官?

作者:    所在单位:中国科学技术大学

类器官是一种体外分化培养而成的3D培养物,用来对体内的器官进行模拟,从而方便对器官的研究。

它的原料是成体干细胞或者多能干细胞,加上特定的微环境培养而出。使用干细胞的目的是分化出多种类型的细胞,并让它们组装成类似真正器官的结构。那么,既然想要多样的细胞,为什么不干脆使用能分化出机体任何细胞的全能干细胞呢?因为如果想要单一器官的类器官,使用相应的多能干细胞来分化显然是更直接更容易的;全能干细胞虽然全能,却不好把握诱导的方向,过高的全能性反而令培养不容易成功。

我们为什么需要类器官?因为传统的2D平板培养已经不足以支持更复杂的研究,科学家们需要更为复杂,更接近真实情况的模型,于是类器官应运而生。打一个比方:如果说器官(人或者动物的)是一栋完整的,真实的大房子,那么以往的平板培养的细胞就像许多砖块或者许多瓦片没什么条理地摆在一起,而类器官就像是用砖块搭一个缩小版的房子,也就更好复原房子里的规划和摆设。这样一来,研究“房子”就更容易,更方便了,研究结果也更接近真实的情况。

不过,类器官并不完全长得像微缩的器官。它们看起来更像一个个小小的(最大也只有几毫米),形状规则或者不规则的团。为什么呢?受到体外环境的限制,又缺少一些体内有的支撑结构,类器官没办法长得太大,因此细胞数量少、种类少。尽管如此,类器官仍然可以称得上“麻雀虽小,五脏俱全”,在精心的培养下,分化出不同种类的细胞可以组装成类似于器官的空间结构。

类器官不仅可以展现“房子”的结构,更是能复现器官的一些功能——毕竟“结构决定功能”嘛。例如,科学家们已培养出能搏动的心脏类器官,在显微镜下清晰可见它一下一下地搏动着;还有能生长出毛发的毛囊类器官,显然,如果它进一步发展,无疑将成为脱发者的福音!小小的类器官,让科学家们再也无需为稀缺的人体器官来源发愁,而且还可以模拟体内的微环境,让类器官展现出类似在体的状态,也许在某种程度上比真实的取出体外的器官还更甚一筹。

类器官如此神奇,那么它能给我们带来什么呢?

首先,使用类器官进行研究,有利于进一步研究器官的结构和功能,甚至有可能帮助人们进一步理解器官的发育过程。尽管微小的类器官并不能完全代表原位器官真实的情况,但胜在无需面对人体实验的伦理问题,而且比动物模型更接近人体;此外,类器官可以在相同的条件下大批量制作,从而得到状态相近的结果,这样可以支持重复或不同条件的实验,是更有利于进行科学研究的。

其次,类器官可以模仿器官,来进行一些疾病和药物的实验。既然结构和功能与真实的器官类似,那么对疾病和药物作出的反应也理应是相近的。举个例子,使用不同基因型的细胞来构建类器官,再模拟同一种疾病,就可以得到不同基因型的人对同一疾病的症状,从而向对症下药又迈进了一步。进一步来说,在治疗时使用患者的细胞来构建类器官,再对培养出的类器官们使用不同的药物,就可以择取效果最明显的药物组合,不仅能避免过强副作用的风险,还能实现针对患者的个性化医疗,大大提高治愈的可能性。这样的特点,让类器官在肿瘤治疗领域大放光彩。

最后一点,不妨放开来想象:倘若能把类器官培养成与真实器官无二的样子,具有相同的体积和功能,那么器官移植就再也无需担心排异反应,也不必再排队等待匹配的捐献者——患者只需要取一点干细胞,在实验室中培养长大,就可以获得完全适用于自己身体的,全新的器官——等到那时,一定会开启器官移植的新时代。

现在,还有一些生物公司将制作好的类器官装载成类器官芯片,科学家们只需要直接购买就可以获得高度同一性,形状稳定的实验材料。与此同时,科学家们也在尝试开发越来越多种类的类器官,并构建它们之间的联结互作,来适应更多的研究问题。

尽管目前类器官的研究还没有完全成熟,面临着分化程度不够、体积难以扩大、缺少与其他器官互作环境的问题,与真实的体内情况有一定差距。但随着研究的深入和技术的突破,这些问题一定能够逐步解决,让类器官成为科研和医疗进步的强大推手,为人类带来更加光明灿烂的未来。