近些年科學家們一直在圍繞類器官進行研究。在日前的科學·亞洲2019生物醫藥先進技術高峰論壇上，類器官研究進展也引發廣泛討論。
文/記者 劉大珩 新媒體編輯/呂冰心
隨著生命科學技術的發展，人類如果要攻克各種疾病，已經不能僅僅滿足於動物模型上試驗。所以在最近的幾年中，科學家們在不斷嘗試構建不同的系統進行人類疾病的模擬。其中如何利用類器官模擬人類疾病的話題，也在2013年科學家們培養出多種類器官細胞團以來，逐步變成了最受學術界廣泛討論的熱點之一。
在11月4日開幕的科學·亞洲2019生物醫藥先進技術高峰論壇上，來自新加坡科技研究局的黃學輝教授分享了自己的實驗室利用類中腦器官模擬帕金森氏症的研究成果，引發了與會者的廣泛關注和討論。相關研究成果於2016年發表在《Cell》(《細胞》）雜誌子刊《Cell Stem Cell》(《細胞·幹細胞》）上。
論壇上Huck Hui Ng教授在分享類器官的相關話題
Huck Hui Ng教授
在了解"類器官"之前，我們有必要再了解一下我們在感覺上十分"熟悉"的器官。
人體器官由多種細胞所構成，並且存在相應的獨特結構，並且在生物體內可以擔任某些獨立的生理機能。這裡需要強調的是，器官是"結構"以及"機能"的結合，而類器官是一種由不同類型幹細胞組成的培養物，是能夠模擬原生器官的"結構"和"機能"的一類"3D模型"。其與相對應的器官擁有類似的空間結構、組織形態，並且能夠表現對應器官的部分功能。[1]
類器官通常培育於人胚胎幹細胞，或者利用體細胞、成體幹細胞或多能幹細胞進行製備。利用幹細胞直接誘導生成3D組織模型，可以為人類生物學研究提供十分強大的方法，同時也在疾病的研究領域、藥物篩選、藥物毒理學等方面存在著巨大的發展潛力。
一種小腸類器官（圖片來源於網絡）
"缸中之腦"是美國著名的哲學家普特南在《理性、真理和歷史》一書中提出的一個思想實驗：即一個人的大腦被從身體上切了下來，放入充滿可以維持大腦生理活性的營養液缸中。腦被連接在計算機上，並通過計算機向大腦傳輸信息，使其保持一切正常的信號反饋，大腦所體驗到的事件實際上是虛擬的，但大腦是否可以意識到自己生活於虛擬之中？
虛擬圖（圖片來源於網絡）
在論壇上，黃學輝教授向與會者分享了來自其研究小組的成果：從人類多能幹細胞中產生類似中腦的三維器官，並在實驗室條件下培養。這些幹細胞可以涵蓋中腦的所有特徵，包括產生神經黑色素等。似乎，已經存在於現實中的"類腦器官"與普特南教授的"缸中之腦"這一魔幻般的假想十分類似，那麼"類腦器官"有可能產生意識嗎？
在今年的八月底，科學家們在類腦器官中監測到了簡單的腦電波。腦電波通常在成熟的人類大腦內是由分布廣泛的神經元網絡同步發射而形成的，不同的電波與不同的大腦活動相關。隨著類腦器官的成熟，它們發出的腦電波也在不斷發生變化，這種變化趨勢類似於早產兒的大腦的發育。[2]
但是類腦器官不太可能發展出意識。類腦器官只是類腦細胞的集合體，而並非真正的大腦。通常我們認為意識來自於主觀的體驗，類腦器官沒有感覺組織，也缺乏來自周圍環境的輸入，因此不會擁有意識。
雖然這些類腦器官並不能真正的進行"思考"，但我們如今需要討論的不是虛幻與真實交織的哲學問題，而是如何通過先進的體外實驗系統來模擬腦病變，從而方便科研人員進行研究。
在培養皿中的中腦類器官，在類器官上的黑色的小點即為神經黑色素（圖片來源於網絡）
生命是在三維空間中生存的。因此，傳統的二維培養模型，也就是利用在培養皿中形成的單層細胞展開研究具有非常大的局限性，不能完整模擬器官的空間結構以及生理機能。同樣這也成為了認知人類疾病的最大限制之一，為了對人類疾病獲得新的認識，科學家們通過努力，在實驗室內使用新的培養方法，類器官應運而生。
黃學輝教授在論壇上對利用類中腦器官模擬帕金森氏症的進行性表現進行了一些解釋，其中包括了三維環境下與傳統的二維環境下研究結果的不同：三維環境下似乎產生了支持中腦多巴胺能神經元成熟的環境，為體外實驗模擬帕金森氏症病理提供了一個獨特的機會。同時，類腦器官為研究人腦生物學和帕金森氏症模型提供了一條新的途徑。與二維培養體系相比，類器官有助於闡明疾病的發展、穩態和發病機制，為疾病的診斷和治療提供可能的新方法。
類器官另一個主要的應用方面是癌症研究，比如利用類器官對來自患者的細胞進行抗癌藥物測試，或是在該類器官中製造癌性突變一理解其對癌症的具體促進作用等。未來，類器官最終將會被用於臨床預測患者對治療的反應，但在目前，類器官還存在許多的挑戰，比如應當如何加速類器官的培養，類器官的培養還缺少標準化，類器官的發育難以進行控制等。
大小與豌豆相似的類腦器官（圖片來源於網絡）
儘管科學家們已經在類器官的研究方面取得十分顯著的進展，但類器官並不是人體器官的"縮小版"，在類器官的研究領域依然面臨著諸多挑戰。
目前類器官依然比功能齊全的器官相去甚遠，比如類器官缺少血管的形成、神經支配等重要的生理過程，這很可能成為類器官研究的一些阻礙。還有類器官的可變性非常大，從患者誘導的多能幹細胞中提取的類器官存在十分微小但可以檢測出來的變異，有時也會導致組織結構的異常。[3]
這些類器官雖然可以在很多方面模擬真實器官的結構以及功能，但與真實器官的功能和發育緊密相關的結構特性至今還無法實現，因此，類器官依然是真實器官的"小模型"。
在未來的某一天，也許類器官可以提供患者專用的"備用零件"來修復受損組織。但是當前如果我們找不到更快、更簡單、更經濟的方法去培養類器官，或許這一天會沒那麼早到來。
參考文獻
[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
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