汉斯·克莱弗斯谈类器官发展

来源：文汇报   发布者：亦云   日期：2016-02-14  

荷兰Hubrecht研究所的汉斯·克莱弗斯与左藤俊郎　(当时是他实验室里的一位博士后)，2009年一起研发了一个强大的疾病研究新模型———由成人干细胞衍生出来、复制了肠道内皮细胞三维结构的“类器官”。 目前，全球已有100多个实验室正在利用不同类型的类器官，研究癌症和其他疾病。 克莱弗斯最近在接受　《自然》杂志采访时，介绍了这一技术的发展潜力。 为什么通过类器官筛选药物比通过细胞系更好? 某些肿瘤对某些特定药物特别敏感或会产生耐药性，目前我们还不十分清楚这是为什么。靶向治疗可以进行预测，但对于一些经典的化疗药物，如顺铂、5-氟尿嘧啶等，肿瘤会产生一些完全不可预测的反应。药物对癌细胞的效果除了临床试验外，没有其他有效的测试办法。而类器官则是肿瘤细胞基因表达的一个非常好的方式，可在基因测序和病人检查结果之间架起桥梁。 您如何看待类器官在结肠癌研究中的作用? 我们与马萨诸塞州剑桥的博德研究所、英国桑格研究所的研究团队都建立了合作关系，通过对20名结肠癌患者的取样研究，共同创建了一个类器官生物库。我们已有了通过病人个体癌细胞和正常细胞创建的类器官，以及他们的蛋白编码基因序列。我们建立了非营利性质的Hubrecht类器官技术公司　(HUB)　来扩大我们的类器官生物库。 HUB与世界各地的学术团体共享这些生物库，并与15家公司开展药物研发项目。我们可以对来自几乎每一个结肠癌患者的癌细胞进行培养、基因测序并测试它们对药物的反应。另外，我们可以利用开发细胞系的一些研究技术，如遗传基因研究工具、荧光激活细胞拣选法(FACS)　等。 类器官会向临床试验发展吗? 会的。我的研究团队正与荷兰阿姆斯特丹癌症研究所的研究人员进行一项联合观测实验。我们已有了一些来自于接受化疗结肠癌患者的类器官模型，通过类器官对一组常用的结肠癌治疗药物进行筛选。 病人仍然会接受正常的肿瘤治疗方法，但同时我们希望获取类器官的反应数据。我们还开始了另一项试验———招募一批未接受标准治疗的结肠癌晚期患者自愿者，我们将制作类器官，测试它们对药物的敏感性和耐药性，然后给肿瘤医生提出建议，比如具体哪种药物用于哪位特定患者身上。 我们要对很多药物进行观察，因此我们需要大量的自愿者，只有这样才能产生足够多的数据，来帮助我们将药物与肿瘤类型进行匹配。 让患者个体受益，药物测试需要迅速得出结果吗? 是的。这也正是我们开发这项技术的目的。如果来了位肺炎患者，细菌培养、测试等可在3天内得到结果。有了这项技术，我们还可以告诉肿瘤医生最佳的治疗方案组合，但这也许3天时间不行，得需要几个星期的时间。我们的一个囊性纤维化的类器官测试，最终得出结果大约是在两个星期之后。 类器官与异种移植有何不同? 异种移植是指将病人的肿瘤细胞移植到免疫抑制的小鼠身上进行药物测试，类器官的原理其实和它是一样的。 与异种移植相比，类器官的优点是可以对几乎无限数量的化合物及其组合进行测试;此外，它不存在配型问题，几乎可以为所有的病人创建类器官。 您未来的研究目标是什么? 类器官模拟了肿瘤的关键组成部分，但还缺少一些重要元素。我们想让类器官与其他元素结合，形成更完善的研究工具。例如，我们打算引入免疫系统，这样就可以对新开发的免疫治疗药物产生的影响进行研究。 我们还可以将淋巴细胞从肿瘤中分离出来，与同一肿瘤来源的类器官结合在一起，看看结果会如何。也许我们还可以将一些微生物引入类器官，例如将幽门螺杆菌添加到胃类器官中，幽门螺杆菌是引起胃癌的一个主要原因。 类器官能帮助进行药物组合测试吗? 可以。肿瘤在基因上是异种异质的，同样一种肿瘤对药物的敏感性也会有很大的差异。我们可以在类器官上进行数百万种药物组合的测试，以此探寻以基因测序为基础的治疗方案。 各种各样的迷你器官 迄今为止,研究人员已经能利用人体胚胎干细胞和其他干细胞培育多种类器官,包括肝、肾、胰腺、食管、肺、气管、胃、眼睛、肠、前列腺、乳腺、大脑、视网膜、膀胱和腺垂体等。这些器官由于比较小,当然不可能具有人体器官那样完整和完美功能,但是却表现出了一些独特的局部功能,在疾病治疗和药物研发方面起到了较好的替代功能。 兰卡斯特的意外之喜:一个“迷你大脑” 2011年11月里很普通的一天，对于玛德琳·兰卡斯特来说却是很不寻常的日子，因为就在这一天，她意外地培养出了一个“迷你大脑”。兰卡斯特是维也纳分子生物技术研究所的博士后，几星期以来，她一直试图让人类胚胎干细胞形成一簇簇不同类型的神经元。但不知什么原因，培育的细胞无法附着在培养皿底部，而是漂浮在上方，形成奇怪的牛奶样球形悬浮物。 开始她不知道它们究竟是什么，但很快就在这个球形体中发现了一个奇怪的色素点，放在显微镜下仔细观察，她意识到这是正在发育中的视网膜暗细胞。当她切开其中的一个球体，可以看到其中包含着各种类型的神经元———这些细胞已经自行聚合起来，形成了一个像胚胎大脑一样的东西。 兰卡斯特和她的同事不是第一个在培养皿中培育大脑的。早在2008年，日本研究人员报道称，他们已成功利用小鼠和人类的胚胎干细胞形成了一个类似于大脑皮层的分层球状体。自那以后，利用干细胞培育类器官的研究正式开始腾飞。 目前的类器官还并不完美，有的缺少关键的细胞类型，有的只能模拟器官发育的早期阶段，不同批次产生的类器官也有着很大的不同。研究人员正在努力完善类器官技术，令其更复杂、更成熟、拥有更强的可再生能力。不过，生物学家惊讶地发现，只要稍加刺激，细胞甚至可以自行“组装”成为复杂的结构。“不需要任何超复杂的生物工程技术，”诺布里奇说道，“我们只是让细胞做它们想做的事，它们就可以制造出一个大脑来。” 克莱弗斯培育的个性化肠道器官 荷兰Hubrecht研究所的汉斯·克莱弗斯的研究团队采用肠干细胞来培养类肠道已获得成功。 他们先获取肠干细胞，然后用类似于细胞外基质软胶作为人工基底膜来培养这些干细胞，最后培养出的微型类肠器官，拥有许多突起的空心球体，这是典型的肠绒毛和隐窝，和真实的肠结构几乎一模一样，因此可以利用微型肠进行临床药物筛选，有针对性地选择药物来治疗疾病。 他们还将培养出来的微型肠用于潜在治疗药物筛选，从而确定了Kalydeco (一种治疗囊性纤维变性的特效药)　对100名囊性纤维变性患者有治疗效果。 目前，克莱弗斯已利用大肠癌肿瘤中提取的细胞培养创建了一个类器官库。纽约冷泉港实验室的研究员大卫·图维森曾与克莱弗斯合作，利用胰腺癌患者的生物活检样本生成了胰腺类器官。这些类器官可以用来寻找针对特定肿瘤最有效的药物。 威尔斯用不同原材料创建胃类器官 在俄亥俄州辛辛那提儿童医院医学中心工作的威尔斯和他的团队，采用一种只能产生少数几种细胞类型的成人干细胞，创建了一种胃类器官。 10年前，威尔斯和他的同事们开始试图诱导人类胚胎干细胞形成肠道细胞。他们参考了大量文献，并结合他们自己的实践经验，来确定是什么化学信号令肠管发育成长为某种特定器官的。2011年，这个团队生成了他们的第一个人类类器官———只有芝麻籽大小的一段肠子。但要培养生成一个大得多的胃，则是一个极大的挑战。更重要的是,“人类的胃不同于我们在实验室里使用的其他大多数动物的胃。”他说。 研究人员通过反复尝试的方法，对不同组合的生长因子进行精心测试，最终，付出得到了回报。在2014年的一篇论文中，威尔斯和他的团队透露称，他们成功创建了一个像腔的类器官。如今研究人员正在努力探讨胃的发育和生理学上的一些问题，例如，调节胃酸分泌的因素有哪些，他们还打算通过原肠管生成其他迷你器官。 利特尔复杂而神奇的“迷你肾” 澳大利亚国家健康与医学研究理事会的梅丽莎·利特尔多年来一直致力于研究肾的结构、功能，并希望培育出类肾器官，以治疗肾病和肾衰竭病人。 研究人员通过研究发现，成年人的肾脏大约有22-30种结构和功能不同的细胞。肾小体负责将血液过滤形成尿液。肾小体周围基质分布的血管网将过滤后的血液带走。但是，要培养出功能完整的类肾器官，是一个不小的挑战。 从2010年开始，利特尔等人利用胚胎干细胞培养肾脏祖细胞。2013年他们培养出了有两种胚胎肾细胞的类器官。这种类器官只具备胚胎肾组织特点，即只含有肾祖细胞和肾小管细胞，与成年肾脏组织有很大区别，没有血管和间质，因此还不能过滤尿液。目前培养出的类肾可以称为胚胎肾，还不具备成年肾的功能，但是，这样的微型肾脏可以成为检测候选药物毒性的工具。 武部贵则的“肝芽”与迷你肝 武部贵则是日本横滨市立大学的一位研究员，2010年他在哥伦比亚大学器官移植部门工作时，目睹一些患者因缺乏移植器官而死于肝功能衰竭，产生了要培育肝脏的强烈愿望。通常，将细胞“种植”在人工支架上的方法似乎注定会失败，武部贵则认为这其中的部分原因在于成人肝细胞很难生长。“我们甚至不能让它在培养皿中存活几个小时。” 他决定研究诱导多能干细胞(iPS)。他和他的同事们将被称为间叶细胞和内皮细胞的细胞与成肝细胞混合在一起培养了2个月，结果它们自发地长成了有三维结构的小扁豆大小的肝芽，类似妊娠5 6周的人类胎儿的肝脏。研究人员发现，与成熟肝细胞不同的是，它们在培养皿中存活的时间可长达两个月。 与完整的肝相比较，“肝芽”还相去甚远，但武部贵则希望，如果能将成千上万的“肝芽”注入患者衰竭的肝脏，也许能帮助恢复很多的肝功能，而不再需要做肝移植手术。 小鼠试验似乎相当成功，武部贵则和他的团队将十几个“肝芽”移植到小鼠身上后，看到了在小鼠体内产生的巨大效果。两天时间内，肝芽生长产生的微细血管就连接到了小鼠的血管上，形成了肝脏的血液供应，注入的细胞继续发育成为成熟肝细胞，开始行使肝脏功能，如产生特异性蛋白质、代谢药物等。 为了模拟肝衰竭状态，研究团队用一些有毒药物扼杀了小鼠的自然肝功能，一个月后，控制组中的大多数实验鼠都死了，但接受了肝芽移植的小鼠则大部分都活了下来。

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