類器官和器官芯片

王曉冰

干細(xì)胞研究的重要成果之一是可以創(chuàng)造出各種類器官和器官芯片（器官芯片也可以由其他細(xì)胞制造）。類器官就是用干細(xì)胞制造出來的微型器官，或稱迷你器官，它們具有器官的某些功能。

器官芯片并非硅電子芯片做出的人體器官的模擬器，而是含有人體活體細(xì)胞的生物芯片，當(dāng)然，這種芯片比類器官更小。

類器官和器官芯片在生命研究、疾病治療、藥物和疫苗的研發(fā)方面已經(jīng)顯示了越來越重要的作用和巨大的生命力。

類器官的種類和作用

迄今，研究人員已經(jīng)能利用人的胚胎干細(xì)胞和其他干細(xì)胞培育多種類器官，包括肝、腎、胰腺、食管、肺、氣管、胃、眼睛、腸、前列腺、乳腺、大腦、視網(wǎng)膜、膀胱和腺垂體等。這些器官由于比較小，當(dāng)然不可能具有人體器官那樣的完整和完美功能，但是卻表現(xiàn)出了一些獨特的局部功能，在疾病治療和藥物研發(fā)方面起到了較好的替代作用。

現(xiàn)在，最出色的類器官要數(shù)類肝臟。美國哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家研制的類肝臟，并非利用人類胚胎干細(xì)胞，而是用人體臍帶中的干細(xì)胞和結(jié)締組織上的血管細(xì)胞培養(yǎng)而成。研究人員把這些細(xì)胞放到培養(yǎng)器皿里和人體肝臟細(xì)胞一起培養(yǎng)2個月，結(jié)果這些混合在一起的細(xì)胞自發(fā)地長成有三維結(jié)構(gòu)的像小扁豆大小的肝芽，類似妊娠5～6周的人類胎兒的肝臟。

此前，其他研究也證明，血細(xì)胞和結(jié)締組織細(xì)胞能夠在發(fā)育初期極大地促進(jìn)肝臟的生長，并幫助肝臟建立自身的血液供應(yīng)。如果沒有其他類型的細(xì)胞的支持，肝細(xì)胞就無法發(fā)育或形成器官。

此后，研究人員將肝芽移植到小鼠身上，植入兩個部位，一部分植入腦部;另一部分植入腹部。用透明的塑料覆蓋每只小鼠頭顱上的孔洞，如此研究人員就可以直接觀看到肝芽的發(fā)育。隨著肝芽的生長，其中也產(chǎn)生了微細(xì)血管，而且這些血管也連接到了小鼠的血管上。

研究人員還把12個肝芽移植到小鼠腹部，2天后這些肝芽能與小鼠自身的血管聯(lián)系并產(chǎn)生了血液供應(yīng)。再過一段時間，這些肝芽繼續(xù)發(fā)育成為成熟的肝臟細(xì)胞，它們不僅能產(chǎn)生人類肝臟的特異性蛋白，并且能代謝人類肝臟代謝的藥物，而不是小鼠肝臟代謝的藥物。

把移植了這種類肝臟的小鼠與未移植類肝臟的小鼠（對照組）進(jìn)行比較研究，用藥物破壞小鼠自身的肝臟1個月內(nèi)，大多數(shù)對照組小鼠死亡，但接受類肝臟移植的小鼠大部分存活下來。這說明，移植的類肝臟發(fā)揮了肝臟的功能。

當(dāng)然，這樣的類肝臟還不能產(chǎn)生完整的肝臟功能，但是，如果有嬰兒和兒童肝臟功能損壞或肝衰竭，就可以用這樣的類肝臟來治療疾病。根據(jù)估算，要有大量的肝芽才能替代30%的肝臟功能。

不過，如果類肝臟長得更大一些，功能或許更強(qiáng)。所以，類肝臟要進(jìn)入臨床治療還需要相當(dāng)長的時間，不過，這也為器官移植指出了一條新的道路，將來可以用干細(xì)胞來生產(chǎn)類器官以供器官移植。

盡管類肝臟還不能作為供體器官移植來治療疾病，但類肝臟已經(jīng)可以替代動物試驗，對藥物和疫苗進(jìn)行檢測。所有藥物都會經(jīng)過肝臟進(jìn)行降解，因此藥物必須接受測試，以評判其是否會損害肝臟。除了動物試驗和人體試驗可以檢測藥物是否會損害肝臟外，制藥企業(yè)也通過從尸體身上獲取肝臟細(xì)胞，或者在培養(yǎng)器皿中培養(yǎng)的肝臟細(xì)胞來進(jìn)行試驗。這不僅會降低成本，也會減少時間。

現(xiàn)在，類肝臟也可以用來檢測藥物對肝臟是否有毒。而且，肝芽這種類肝臟經(jīng)過改進(jìn)后，也能提供大量的小塊肝組織用于試驗。這將會使很多等待上市的藥物更快地進(jìn)入測試程序，進(jìn)入臨床應(yīng)用。

多種多樣的類器官

類腸道（包括大腸、小腸和十二指腸等）對于疾病治療和生命現(xiàn)象也極為重要，現(xiàn)在，研究人員也培養(yǎng)出了類腸道。荷蘭烏得勒支研究所的科學(xué)家采用腸干細(xì)胞來培養(yǎng)類腸道已獲得成功。

他們先獲取腸干細(xì)胞，然后用類似于細(xì)胞外基質(zhì)軟膠作為人工基底膜來培養(yǎng)這些干細(xì)胞，結(jié)果培養(yǎng)出（類腸道）微型腸，這種微型腸和真實的腸結(jié)構(gòu)幾乎一模一樣，因此可以利用微型腸進(jìn)行臨床藥物篩選，有針對性地選擇藥物來治療疾病。

科學(xué)家們對一名囊性纖維變性患者活檢采集直腸組織，然后培養(yǎng)出微型腸，后者被利用來篩選潛在的治療藥物，從而確定了Kalydeco（一種治療囊性纖維變性的特效藥）對100名囊性纖維變性患者有治療效果。

囊性纖維變性是由于編碼一種名為CFTR的蛋白質(zhì)的基因發(fā)生了突變（基因缺陷）而引起的。CFTR可以調(diào)節(jié)體內(nèi)離子（如氯離子）和水的轉(zhuǎn)運。在氯離子和水的轉(zhuǎn)運中存在缺陷會導(dǎo)致厚厚的黏液積聚在肺部、消化道（胃、小腸和大腸）以及身體的其他部位，引起嚴(yán)重的呼吸道和消化道問題?；颊咴谕辏?歲以后）開始出現(xiàn)癥狀，包括持續(xù)咳嗽，反復(fù)出現(xiàn)胸部、肺部和消化道感染等。

Kalydeco是CFTR蛋白的一種增效劑，有利于增加氯離子運輸通過，從而減少黏液積聚在肺部、消化道（胃、小腸和大腸）以及身體的其他部位。但是，該藥對一些囊性纖維變性病人并不顯效，而且可能有副作用，因此需要對病人試驗這種藥物的效果。

但對病人的試驗也會出現(xiàn)較大的危險，就像青霉素的過敏皮試一樣。類腸道的出現(xiàn)解決了這個問題，從病人腸道提取的腸道細(xì)胞可以培養(yǎng)出類腸道，并可用于藥物，如對Kalydeco的試驗。

鑒于腎移植供體器官的困難和腎透析的麻煩和昂貴，澳大利亞國家健康與醫(yī)學(xué)研究理事會（NHMRC）的科學(xué)家多年來一直致力于研究腎的結(jié)構(gòu)、功能并希望培育出類腎，以治療腎病和腎衰竭病人。研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)，成年人的腎臟大約有22～30種結(jié)構(gòu)和功能不同的細(xì)胞。腎小體負(fù)責(zé)將血液過濾形成尿液。腎小體周圍基質(zhì)分布的血管網(wǎng)將過濾后的血液帶走。但是，要培養(yǎng)出功能完整的類腎是一個不小的挑戰(zhàn)。

從2010年開始，科學(xué)家們利用胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)腎臟祖細(xì)胞。2013年他們培養(yǎng)出了有兩種胚胎腎細(xì)胞的類器官。這種類器官只具備胚胎腎組織特點，即只含有腎祖細(xì)胞和腎小管細(xì)胞，與成年腎臟組織有很大區(qū)別，沒有血管和間質(zhì)，因此還不能過濾尿液。

目前培養(yǎng)出的類腎可以稱為胚胎腎，還不具備成年腎的功能，但是，這樣的微型腎臟可以成為檢測候選藥物毒性的工具。

另外，還有一些類器官的培養(yǎng)也獲得了不同程度的成功。奧地利維也納分子生物技術(shù)研究所的科學(xué)家們已經(jīng)培養(yǎng)出了類似胚胎大腦的類大腦器官，在這些器官中，有各種類型的神經(jīng)細(xì)胞，它們的分布非常符合胚胎大腦的結(jié)構(gòu)特征。這和澳大利亞科學(xué)家培養(yǎng)的類腎一樣，只是人類在發(fā)育早期形成的器官，還不是成年器官，因而作用有限。

對類胃的培育相對困難一些，因為人類胃有兩個不同的部位，胃頂部的細(xì)胞釋放酸，而胃底部細(xì)胞產(chǎn)生大量消化液。同一個器官的不同部分由不同的細(xì)胞構(gòu)成，因此要培育人類的類胃相當(dāng)復(fù)雜。

器官芯片

美國俄亥俄州辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)學(xué)中心的科學(xué)家們通過研究弄清了胃的不同部分開始生成的分子信號，經(jīng)過10多年的研究，終于利用胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)出了人的類胃，這種類胃擁有胃的全部細(xì)胞類型，即分泌酸和消化液的細(xì)胞。但是，由于類胃的體積太小，還不能當(dāng)作器官使用。

器官芯片

一種藥物和疫苗的研發(fā)首先要通過動物試驗，此后才能進(jìn)入人體一至三期試驗，最后才能批準(zhǔn)上市，供臨床和病人使用。但是，今天在藥物研發(fā)過程的動物階段已經(jīng)讓研究人員有舉步維艱之感，因為，無論是西方還是東方社會，今天反對用動物進(jìn)行試驗的呼聲越來越多，也越來越大，而且人體試驗也陷入危機(jī)之中，由于倫理的制約，要招募藥物試驗的志愿者也是難上加難。

那么，有沒有更好的方式來代替動物和人體試驗，從而有效和便捷地研發(fā)新藥和疫苗呢？新的研究為這個問題的解決似乎提供了一種可能，即利用器官芯片來試驗藥物的效果和安全性。

2015年7月底，在美國波士頓舉辦的“世界器官芯片年會”上，許多研究機(jī)構(gòu)和制藥公司宣稱，器官芯片模型可真實反映人體器官（如心臟和肝臟）在藥物刺激和疾病狀態(tài)下的變化，可以有效檢測藥物的效果和安全性。

荷蘭的邁米塔斯公司與3家大型醫(yī)藥公司共同合作，開發(fā)了一種腎臟芯片用于檢測藥物的效果。另一方面，2015年6月，強(qiáng)生公司已表示將購進(jìn)美國另一個芯片制作公司制造的血栓芯片，用于檢測其在研藥物和已上市藥物中的促血凝特性。

器官芯片的出現(xiàn)顯然是藥物研發(fā)的一個好幫手或好手段，因為，它不僅能真實反映人體的部分情況，而且能節(jié)約成本，同時測試的時間快，能很快得知一種在研藥物或已經(jīng)使用的藥物是否有效，以及作用機(jī)理，并且不涉及倫理爭議。

甚至在新藥篩選方面器官芯片也比動物試驗更有特異性和更有效，因為這種試驗是一步到位，繞開了動物試驗，直接以人體器官為試驗對象。

例如，一種肺部芯片就可以有效檢測藥物的作用。該芯片一側(cè)通道由一層鋪設(shè)在芯片薄膜上的肺泡細(xì)胞組成，將其暴露于血樣培養(yǎng)基中，芯片另一側(cè)通道連通空氣，通過儀器對組織的牽拉與擠壓作用模擬肺呼吸過程。這就有可能檢測某些藥物，如治療哮喘的藥物的效果。

人體器官芯片還有一個人們意想不到的作用，挽救很多因動物試驗效果不好而被封殺的藥物。根據(jù)傳統(tǒng)的藥物試驗程序，若一種藥物在動物試驗中產(chǎn)生不安全結(jié)果，如致傷致殘和致死動物，就不可能進(jìn)入下一個程序——人體試驗，結(jié)果通常是被封殺。但是，如果用人體芯片試驗，則會獲得對人體的效果，因此可以不以動物試驗結(jié)果為判定標(biāo)準(zhǔn)。

例如，瑞士羅氏公司的一款在研藥對大鼠存在致肝癌作用，隨后羅氏公司利用人體肝臟芯片對這種藥物進(jìn)行測試并和動物試驗進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)致癌作用存在嚙齒類種屬特異性。據(jù)此，羅氏公司認(rèn)為，這一對比結(jié)果可以為該藥物“正名”，因為它只是對嚙齒動物致癌，但不對人致癌，因此，不應(yīng)被槍斃，可以繼續(xù)進(jìn)行下一步的人體試驗。當(dāng)然，人體器官芯片還可用于有效劑量范圍研究和其他研究。

盡管有這些優(yōu)點，人體器官芯片的局限也是顯而易見的，用人體器官芯片試驗所獲得的結(jié)果是否完全真實可信，或能否代表人體系統(tǒng)的復(fù)雜性和完整性受到質(zhì)疑。

例如，器官芯片可能無法重現(xiàn)機(jī)體復(fù)雜的內(nèi)分泌環(huán)境所介導(dǎo)的一系列功能變化，因而測試藥物的結(jié)果不一定完全客觀和準(zhǔn)確。即便是多種人體器官芯片組裝而成的“類機(jī)體”系統(tǒng)，可能也無法完全確證一種藥物的作用和安全性。所以，器官芯片要獲得認(rèn)可還有很長的路要走。

不過，可以預(yù)測，類器官和器官芯片在未來不僅對藥物研發(fā)和篩選有針對性的藥物治療疾病具有重要意義，而且對于其他生物醫(yī)學(xué)研究也意義非凡。