把人當機器人拆分，今天真是做到了極致_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-05-13 09:51
見一葉落而知歲之將暮。
——《淮南子·説山訓》
撰文 | 海綿鴨鴨
窺一斑而見全豹，觀滴水可知滄海。見微知著並非天方夜談，類器官研究早已將這種智慧運用到極致。
顧名思義，類器官即類似於真實器官。科學地講，類器官是由幹細胞或者從病人身上提取的腫瘤組織在特定的3D體外微環境下自組織發育而來的、高度模擬體內真實器官特徵的小型化的體外器官模型。因其可以在很大程度模擬目標組織或器官的遺傳特徵和表觀特徵，在器官發育、精準醫療、再生醫學、藥物篩選、基因編輯、疾病建模等領域都有廣泛的應用前景。2013年，類器官被《科學》雜誌評為年度十大技術。2018年初，類器官被評《自然·方法》評為2017年度方法。
類器官技術近些年來發展迅猛，取得了許多令人振奮的成就。2020年9月，來自日本Lee J. 等人成功製作出可以自主搏動的心臟類器官，結果發表在《自然·通訊》雜誌上。類器官究竟起源何處，在過去的幾十年來又經歷了怎樣的發展，本文將與你娓娓道來。
類器官的起源——自組織現象
類器官的起源可以追溯到1907年，當時44歲的美國貝克羅萊那大學教授威爾遜 (H. V. Wilson) 發現通過機械分離的海綿 (sponge) 細胞可以重新聚集並自組織成為新的具有正常功能的海綿有機體，他的研究結果於1910年發表。
海綿是生活在海洋裏的世界上結構最簡單的多細胞動物之一，沒有頭、尾、軀幹、四肢的分化，不存在神經或者器官，是十分原始的動物。通過鞭擺動泵入海水獲得氧氣與養料。雖然最終取得了成功，但威爾遜的研究並非一帆風順，在研究波弗特港附近常見的一種海綿時，他在實驗記錄中寫到：“將樣品切成碎片並按照之前流程操作後，細胞和細胞團正常地進行了融合，但是組織不久便開始死亡。”
對於這項研究的意義，原始文獻中並未做天馬行空的暢想，只提到這可能是該種生物應對惡劣自然環境的策略。文中還提到真枝螅屬和筆螅屬存在類似現象。威爾遜可能也不會想到，當時的發現會成為未來類器官技術發展的源頭。事實上，威爾遜的研究證明了成年的有機體在無需外界幫助、無需從特定的解剖學階段開始，也具有完整的信息並可以成功發育成新的有機體。時間來到1950年，一些實驗室開始使用和威爾遜同樣的方法，將組織剪碎後讓其重新聚集並自組織，進而探究脊椎動物這樣的高級動物是否同樣可以進行自組裝。美國科學家阿倫·莫斯卡那發現破壞原有拓撲結構的雞胚細胞團能夠重新自組織成原有結構。其他科學家在兩棲類動物中也得到了類似的結果。這些實驗結果暗含了類器官區別於其他2D或3D培養技術的特質——自組織 (self-organization).
自組織的概念或許最早來源於德國古典哲學創始人康德，康德在《判斷力批判》中提到，“在這樣的自然產物裏，每一‘部分’的存在都是為了整體的存在。這個‘部分’可以相互產生其他‘部分’。只有在這些條件下，才能被稱作一個有組織的或自組織的存在，才能被稱為物理的目的 (physical end) 。這種觀點似乎與英國演化理論學者理查德·道金斯《自私的基因》中的論斷相矛盾，道金斯提到，生物可能會做出一些看起來是“利他”的行為，但實際上基因本身決定生物體要以延續自己的生存為目的，即“利己”。這實際上涉及到分析尺度的問題：康德的看法可以用在一團細胞上，而道金斯論斷主要用於種羣中的一個個體上，前者的尺度更小。換句話説，道金斯的理論中，基因的自私需要藉助人或者其他物種的個體來作為基因機器來寄生，當小於這個單位時，會出現諸如量子力學不連續的現象，這個理論便不再適用。康德和道金斯觀點的不同很可能是由於定義域不同。
言歸正傳，自組織是一個存在於多個領域的術語，指系統的整體秩序產生於原本無序的系統局部間的交流，物理中的相變、化學中的結晶、生物中的蛋白質分子摺疊都屬於自組織現象。對於類器官領域來説，自組織更是不可或缺，細胞如何從任意的、非人為精準設計的狀態發育成具有器官特徵、基因和表型特點的類器官呢？細胞的自組織在其中發揮了至關重要的作用，例如2019年發表在《自然》雜誌上的文章指出，單細胞的自組織行為在腸類器官由鏡像結構發育至非鏡像結構的過程中發揮重要作用。詩意的説，細胞們就像是裝了發條，只要給予適宜的培養條件，他們總能各司其職，發育成類器官。
幹細胞技術的發展
對類器官技術而言，另外一個十分關鍵的契機是幹細胞技術的發展。幹細胞想必大家並不陌生，很多人對於幹細胞的第一印象都是來源於媒體中對於血液疾病造血幹細胞移植療法的介紹。2021年1月28日，國家科學技術部發布“十四五”國家重點研發計劃，“幹細胞研究與器官修復”被列入其中。《指南》指出，幹細胞研究與器官修復的幾個重點方向包括：幹細胞命運調控、基於幹細胞的發育和衰老研究、類器官與人源化動物模型等六個重點方向。其中，類器官與人源化動物模型聚焦嚴重影響我國人民健康的重大難治疾病，包括惡性腫瘤，心血管、呼吸和神經系統疾病和代謝病等，擬建立包括類器官在內的多種疾病模型，以發掘疾病診療新靶標，探索診療新策略。2021年兩會召開之際，上海市政協常委陳芳源、全國人大代表李振國等都對我國的幹細胞治療發展建言獻策。幹細胞在2020年取得跨越式發展之後，在2021年踏上發展的快車道。
近年來火熱的幹細胞研究，主要開始於上世紀末。1987年，A. J. Friedenstein 發現間充質幹細胞 (Mesenchymal Stem Cell, MSC) 。1998年，美國生物學家James Thomson首次分離得到人胚胎幹細胞。2007年，Thomson教授成功製造出人誘導多能幹細胞(induced Pluripotent Stem Cells, iPSC) 。如今，絕大多數類型的非腫瘤來源的人源類器官均可由MSC或iPSC發育而來，幹細胞研究的飛速進展為類器官研究帶來新的活力。
近十餘年類器官的發展
當代類器官的發展成果，主要集中在近十餘年。
2009年，Hans Clevers實驗室使用單個鼠LGR5+腸幹細胞在體外自組織成為具有腸隱窩-絨毛結構的腸類器官。
2011年，由人多能幹細胞和原代成體幹細胞發育而來的腸類器官被成功製作。
同年，由鼠胚胎幹細胞培育而來的視網膜類器官被首次成功培育。
2012年，由人多能幹細胞發育而來的視網膜類器官成功培育。
2013年，由人多能幹細胞發育而來的腦類器官被成功培育。肝、腎、胰類器官被成功培育。
2014年，前列腺、肺類器官被成功培育。
2015年，乳腺、輸卵管、海馬體類器官被成功培育。
……
2020年，蛇毒液腺類器官被成功培育。
(Claudia Corrò et al. Am J Physiol Cell Physiol, 2020)
類器官的另一個研究熱點便是病人來源的類器官 (Patient-Derived Organoids, PDOs)，因為此種方法通常用於腫瘤患者的疾病建模、研究與藥物篩選，狹義上又常常被稱為腫瘤類器官。腫瘤類器官的發展開始於2013年，自此之後呈逐年上升趨勢。腫瘤類器官是指將患者活檢、穿刺或手術切除組織在基質膠中培養數週得到的類器官。腫瘤類器官在高度保持源腫瘤的異質性和患者之間的異質性的同時，類器官個體間形態、尺度保持基本均一，為腫瘤發病機理研究、藥物篩選、個性化精準醫療、再生醫學等領域提供了快速、優良的技術平台。
在Pubmed上搜索 “類器官” 這一詞條，類器官相關文章從2010年的42篇，在短短十年間，躍升到2020年的2097篇，2021年剛過去四分之一，也已經達到了661篇。類器官以極迅猛的態勢成為研究熱點。
類器官研究亟待解決的問題與前景
現階段類器官的研究仍存在很多問題，重複性 (reproducibility) 和一致性 (consistency) 是重大的瓶頸，這很大程度上由於過程控制的欠缺與行業標準的空白。類器官培養過程中人為因素的過多參與、自動化程度低導致因為系統偶然性造成的誤差較大。同時，類器官檢測手段十分匱乏，活體觀察主要集中在形態學觀察，斷點觀察集中在基於熒光的各類指標的檢測，能夠活體實時對類器官各項指標進行檢測的光學、電化學等手段仍較為欠缺。當前，類器官很多研究者致力於製造更新的類器官，做出之前未能做出的類器官，我們可以製作海馬體、垂體、腺體、脾、腎的類器官，卻難以確定一個符合要求的類器官需要滿足那些個體的諸如尺寸、形狀、基因表達量等，羣體的諸如類器官之間的方差等統計學指標。這將限制類器官的高效研究與向臨牀研究的轉化。
對於類器官培養過程中的工程控制也是亟待解決的問題。當前類器官培養大多使用Matrigel水凝膠作為培養基質，Matrigel是康寧生命科學公司生產的Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) 小鼠肉瘤細胞分泌的膠狀蛋白混合物。Matrigel因其含有外源成分，難以應用在人的很多治療場景。另一方面，雖然類器官與微流控技術已有一些結合研究的例子，但使用微流控芯片對類器官生存的流體環境進行模擬仍不成熟，如何使用微流控等技術對類器官培養時流體微環境進行控制是亟待解決的問題。同時，現有類器官的直徑約在100-500μm之間，雖然具有一定程度的尺度效應，但還是難以模擬真實組織、器官的場景。倘若要製造尺度更大的類器官，類器官的血管化也是十分重要的問題。
展望未來，類器官研究前景巨大。類器官高度仿真的疾病模型有望繼續在精準醫療、再生醫學等領域取得新的進展。同時，“類器官+”有望給類器官研究帶來新的增長點。與活體實時成像技術結合的類器官技術有望讓人們第一次實時觀察到人早期發育過程；與生物3D打印相結合，有望實現基於類器官的功能性治療；與“人類細胞圖譜 (Human Cell Atlas, HCA) ”技術結合，類器官細胞圖譜將推進病加速包括罕見遺傳病、複雜多因素疾病、精準腫瘤治療等以疾病為中心的研究。
類器官技術是一種權衡模擬度與速度的模型，是滿足當下倫理最具前景的器官、疾病模型之一。從方法論來看，如果忽略時間限制，想要對人體某一器官或疾病進行更加貼近真實的建模，肯定有比類器官更好的方法，但時間會慢得多。想要追求更快的速度，發育幾周才能得到的類器官肯定不是最好的選擇，細胞培養比類器官培養快得多。平衡建模的相似度與建模的速度，類器官站在了蹺蹺板的支點位置：類器官在微觀結構上具有對應組織的細胞類型、極性、關鍵形態、遺傳信息等特徵，在宏觀層面具有諸如皮膚修復等功能性治療的前景，類器官的橋樑架向未來。
參考文獻
[1] 封面圖片：CORNING. Using Organoids for Disease Modeling. Nov. 11, 2019.
[2] Lee, J. et al. Nat Commun 11, 4283 (2020).
[3] SCIENCING. Types of Sea Sponges. 2019.
[4] Wilson, H. V. Development of sponges from dissociated tissue cells.
[5] Sato, T. et al. Nature 459, 262–265 (2009).
[6] Corrò C et al. Am J Physiol Cell Physiol. 2020 Jul 1;319(1):C151-C165.
本文經授權轉載自微信公眾號“西方科技史”，原題目為《類器官的前世今生》。