近些年科学家们一直在围绕类器官进行研究。在日前的科学·亚洲2019生物医药先进技术高峰论坛上，类器官研究进展也引发广泛讨论。

文/记者 刘大珩 新媒体编辑/吕冰心

随着生命科学技术的发展，人类如果要攻克各种疾病，已经不能仅仅满足于动物模型上试验。所以在最近的几年中，科学家们在不断尝试构建不同的系统进行人类疾病的模拟。其中如何利用类器官模拟人类疾病的话题，也在2013年科学家们培养出多种类器官细胞团以来，逐步变成了最受学术界广泛讨论的热点之一。

在11月4日开幕的科学·亚洲2019生物医药先进技术高峰论坛上，来自新加坡科技研究局的黄学辉教授分享了自己的实验室利用类中脑器官模拟帕金森氏症的研究成果，引发了与会者的广泛关注和讨论。相关研究成果于2016年发表在《Cell》(《细胞》）杂志子刊《Cell Stem Cell》(《细胞·干细胞》）上。

论坛上Huck Hui Ng教授在分享类器官的相关话题

Huck Hui Ng教授

类器官是个啥？

在了解"类器官"之前，我们有必要再了解一下我们在感觉上十分"熟悉"的器官。

人体器官由多种细胞所构成，并且存在相应的独特结构，并且在生物体内可以担任某些独立的生理机能。这里需要强调的是，器官是"结构"以及"机能"的结合，而类器官是一种由不同类型干细胞组成的培养物，是能够模拟原生器官的"结构"和"机能"的一类"3D模型"。其与相对应的器官拥有类似的空间结构、组织形态，并且能够表现对应器官的部分功能。[1]

类器官通常培育于人胚胎干细胞，或者利用体细胞、成体干细胞或多能干细胞进行制备。利用干细胞直接诱导生成3D组织模型，可以为人类生物学研究提供十分强大的方法，同时也在疾病的研究领域、药物筛选、药物毒理学等方面存在着巨大的发展潜力。

一种小肠类器官（图片来源于网络）

真实的"缸中之脑"

"缸中之脑"是美国著名的哲学家普特南在《理性、真理和历史》一书中提出的一个思想实验：即一个人的大脑被从身体上切了下来，放入充满可以维持大脑生理活性的营养液缸中。脑被连接在计算机上，并通过计算机向大脑传输信息，使其保持一切正常的信号反馈，大脑所体验到的事件实际上是虚拟的，但大脑是否可以意识到自己生活于虚拟之中？

虚拟图（图片来源于网络）

在论坛上，黄学辉教授向与会者分享了来自其研究小组的成果：从人类多能干细胞中产生类似中脑的三维器官，并在实验室条件下培养。这些干细胞可以涵盖中脑的所有特征，包括产生神经黑色素等。似乎，已经存在于现实中的"类脑器官"与普特南教授的"缸中之脑"这一魔幻般的假想十分类似，那么"类脑器官"有可能产生意识吗？

在今年的八月底，科学家们在类脑器官中监测到了简单的脑电波。脑电波通常在成熟的人类大脑内是由分布广泛的神经元网络同步发射而形成的，不同的电波与不同的大脑活动相关。随着类脑器官的成熟，它们发出的脑电波也在不断发生变化，这种变化趋势类似于早产儿的大脑的发育。[2]

但是类脑器官不太可能发展出意识。类脑器官只是类脑细胞的集合体，而并非真正的大脑。通常我们认为意识来自于主观的体验，类脑器官没有感觉组织，也缺乏来自周围环境的输入，因此不会拥有意识。

虽然这些类脑器官并不能真正的进行"思考"，但我们如今需要讨论的不是虚幻与真实交织的哲学问题，而是如何通过先进的体外实验系统来模拟脑病变，从而方便科研人员进行研究。

在培养皿中的中脑类器官，在类器官上的黑色的小点即为神经黑色素（图片来源于网络）

三维模型更有助于阐明疾病机制

生命是在三维空间中生存的。因此，传统的二维培养模型，也就是利用在培养皿中形成的单层细胞展开研究具有非常大的局限性，不能完整模拟器官的空间结构以及生理机能。同样这也成为了认知人类疾病的最大限制之一，为了对人类疾病获得新的认识，科学家们通过努力，在实验室内使用新的培养方法，类器官应运而生。

黄学辉教授在论坛上对利用类中脑器官模拟帕金森氏症的进行性表现进行了一些解释，其中包括了三维环境下与传统的二维环境下研究结果的不同：三维环境下似乎产生了支持中脑多巴胺能神经元成熟的环境，为体外实验模拟帕金森氏症病理提供了一个独特的机会。同时，类脑器官为研究人脑生物学和帕金森氏症模型提供了一条新的途径。与二维培养体系相比，类器官有助于阐明疾病的发展、稳态和发病机制，为疾病的诊断和治疗提供可能的新方法。

类器官另一个主要的应用方面是癌症研究，比如利用类器官对来自患者的细胞进行抗癌药物测试，或是在该类器官中制造癌性突变一理解其对癌症的具体促进作用等。未来，类器官最终将会被用于临床预测患者对治疗的反应，但在目前，类器官还存在许多的挑战，比如应当如何加速类器官的培养，类器官的培养还缺少标准化，类器官的发育难以进行控制等。

大小与豌豆相似的类脑器官（图片来源于网络）

类器官不是器官的"缩小版"

尽管科学家们已经在类器官的研究方面取得十分显著的进展，但类器官并不是人体器官的"缩小版"，在类器官的研究领域依然面临着诸多挑战。

目前类器官依然比功能齐全的器官相去甚远，比如类器官缺少血管的形成、神经支配等重要的生理过程，这很可能成为类器官研究的一些阻碍。还有类器官的可变性非常大，从患者诱导的多能干细胞中提取的类器官存在十分微小但可以检测出来的变异，有时也会导致组织结构的异常。[3]

这些类器官虽然可以在很多方面模拟真实器官的结构以及功能，但与真实器官的功能和发育紧密相关的结构特性至今还无法实现，因此，类器官依然是真实器官的"小模型"。

在未来的某一天，也许类器官可以提供患者专用的"备用零件"来修复受损组织。但是当前如果我们找不到更快、更简单、更经济的方法去培养类器官，或许这一天会没那么早到来。

参考文献

[1] Kretzschmar K , Clevers H . Organoids: Modeling Development and the Stem Cell Niche in a Dish[J]. Developmental Cell, 2016, 38(6):590-600.

[2] Cleber A , Trujillo , Richard Gao , Priscilla D , et al . Complex Oscillatory Waves Emerging from Cortical Organoids Model Early Human Brain Network Development[J].Cell Stem Cell, 2019, 25(4):558-569.

[3] Fatehullah A , Tan S H , Barker N . Organoids as an in vitro model of human development and disease[J]. Nature Cell Biology, 2016, 18(3):246-254.6

出品：科普中央厨房

监制：北京科技报 | 科学加客户端

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