類器官締造者

張文韜/編譯

類器官締造者

張文韜/編譯

在50歲生日之前，埃爾斯·范德海杰登感到比以往更虛弱了。她出生時就罹患一種叫囊性纖維化（CF）的遺傳性疾病。她努力和疾病作斗爭，完成了大學(xué)學(xué)業(yè)，還找到了一份頗有挑戰(zhàn)的咨詢師工作。但是，住在荷蘭小鎮(zhèn)上的范德海杰登經(jīng)常覺得“有一片烏云籠罩在頭頂?！?015年，她開始感到疲勞，很容易就氣喘吁吁，她覺得自己的生命可能走到盡頭了。

隨后，她在報紙上看到了一個名叫費(fèi)邊（Fabian）的CF患兒的經(jīng)歷。科學(xué)家剪下一段他的大腸，培育成微型器官，竟挽救了他的生命。醫(yī)生們在微型器官上測試了藥物依伐卡托（Ivacaftor，又名Kalydeco）的效果，這種藥物很貴，如果對患者沒有效果，荷蘭的保險公司將拒絕賠付醫(yī)療費(fèi)用。這位CF患兒是由一種極為罕見的突變導(dǎo)致，沒有足夠的資料證明該藥物有效。幸運(yùn)的是，他的微型器官對ivacaftor產(chǎn)生了反應(yīng)，而他本人在服藥之后幾小時癥狀也有所改善，保險公司最終同意支付藥費(fèi)。

范德海杰登的醫(yī)生也為她安排制作了微型器官。這個器官對市售的一種藥物Orkambi有反應(yīng)（成分包括Ivacaftor和Lumacaftor）。范德海杰登服藥數(shù)周后，她表示：“破天荒第一次，我感覺渾身充滿力量，我感到身體機(jī)能運(yùn)行得像個正常人?！?/p>

這種改變命運(yùn)的藥物由漢斯·克萊弗斯（Hans Clevers）的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，他是荷蘭皇家科學(xué)院胡布勒支研究所的主任。十多年前，克萊弗斯就發(fā)現(xiàn)，腸道中的一類母細(xì)胞能夠產(chǎn)生所有類型的腸道細(xì)胞。通過給予適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)，他領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)誘導(dǎo)這些干細(xì)胞發(fā)育成立體的、像鉛筆頭一樣大小的腸道組織。這種微型器官功能與真正的腸道相似，包含了主要細(xì)胞類型，也被稱為類器官。

于是，一場研究革命開始了。克萊弗斯等人開始制造其他器官的類器官，包括胃、胰臟、大腦和肝臟等。類器官便于實(shí)驗(yàn)室操作，能夠闡明組織發(fā)育和損傷修復(fù)機(jī)制。但是，許多研究人員認(rèn)為，或許更令人興奮的是找到了一種建立疾病模型的新方法，例如研究人員向健康組織的類器官中引入特殊的突變，來研究癌癥的發(fā)生。正如克萊弗斯實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的那樣，類器官還能預(yù)測個體對藥物的反應(yīng)，讓個體化藥物治療成為現(xiàn)實(shí)?！邦惼鞴賹⒑苡锌赡苁购芏鄧?yán)重疾病的治療方法發(fā)生巨大變化?！甭槭±砉W(xué)院的干細(xì)胞研究人員魯?shù)婪颉ひ崾≧udolf Jaenisch）認(rèn)為。

對于克萊弗斯本人，幸運(yùn)來得太突然。他認(rèn)為自己是研究基礎(chǔ)生物學(xué)的，從未想到自己研究內(nèi)容的現(xiàn)實(shí)作用。他說：“我總是被好奇心驅(qū)使，25年來，我們發(fā)表了很多論文，但都沒有轉(zhuǎn)化成一個可以直接造福人類的產(chǎn)品?！?/p>

2017年7月的一個早上，陽光明媚，在胡布勒支研究所里，克萊弗斯正耐心地聽著實(shí)驗(yàn)室組會的報告。一位博士后展示了她建立小細(xì)胞性肺癌類器官模型的研究工作；另一位則報告了從人體腸組織中培養(yǎng)激素分泌類器官的進(jìn)展。一旦學(xué)生的研究問題讓他感到無趣，克萊弗斯就會督促他們更積極一點(diǎn)。

類器官能夠被用來研究病原體與人體組織的相互作用。這是漢斯·克萊弗斯實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的肺類器官

“漢斯能夠提出問題，而不受預(yù)設(shè)答案的影響?！睈鄣氯A·尼烏文赫伊斯（Edward Nieuwenhuis）說，他是荷蘭烏得勒支中央醫(yī)學(xué)院（UMCU）兒科系的主任，也是漢斯的好朋友。

“他嗅覺靈敏，總是能夠找到有趣的東西?！绷_納德·布拉斯特克（Ronald Plasterk）表示，他在 2002～2007年間曾與克萊弗斯共同管理胡布勒支實(shí)驗(yàn)室，如今他是荷蘭內(nèi)政及王國關(guān)系部的部長。這一研究成果給克萊弗斯贏得了許多榮譽(yù)。

研究歷程

在美國達(dá)納法伯癌癥研究所做博士后研究期間，克萊弗斯的研究生涯從免疫細(xì)胞開始。1989年，他在UMCU的臨床免疫學(xué)系找到了第一份工作，并且很快當(dāng)上了系主任。他表示，“雖然一直從事臨床工作，比如白血病診斷和血液檢查，但是，我的研究興趣主要在基礎(chǔ)研究。”

在早期研究中，他鑒別出一種關(guān)鍵分子，T細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子1（TCF-1），它是T淋巴細(xì)胞這種免疫細(xì)胞增殖的信號。隨后，他發(fā)現(xiàn)，TCF-1是更大的Wnt信號分子家族的一員，這個家族不僅僅在免疫反應(yīng)中不可或缺，在胚胎發(fā)育和組織修復(fù)中也發(fā)揮重要作用。1997年，他領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，缺少信號分子基因TCF-4的小鼠，不能發(fā)育出腸隱窩。不久以后，美國約翰霍普金斯大學(xué)的伯特·福格斯坦（Bert Vogelstein）研究發(fā)現(xiàn)，TCF-4也在人類結(jié)腸癌的發(fā)生過程中起重要作用?？巳R弗斯被強(qiáng)烈地吸引住了，他把研究方向從免疫系統(tǒng)轉(zhuǎn)向了腸道。

當(dāng)時正興起干細(xì)胞的研究熱潮，受此啟發(fā)，克萊弗斯開始尋找腸道干細(xì)胞。早在50多年前，研究人員就推斷，嚙齒類動物的腸隱窩產(chǎn)生了很多只能存活幾天的細(xì)胞，說明這是長期穩(wěn)定的細(xì)胞來源，只是沒有被人們了解。

經(jīng)過接近10年繁瑣的實(shí)驗(yàn)，2007年，克萊弗斯實(shí)驗(yàn)室的博士后尼克·巴克爾（Nick Barker）終于有了重大發(fā)現(xiàn)：攜帶有LGR5受體的細(xì)胞產(chǎn)生小鼠腸道的所有細(xì)胞，Wnt信號通路中的分子指引這些細(xì)胞分裂。隨后巴克爾還發(fā)現(xiàn)，其他器官中也存在LGR5陽性細(xì)胞。在某些情況下，這些細(xì)胞一直保持活性，而在肝臟等其他器官中，它們只有在感知到組織受損時才會增殖。

當(dāng)時，培養(yǎng)干細(xì)胞簡直難于上青天，但是，梳理了之前實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)驗(yàn)后，2009年，克萊弗斯實(shí)驗(yàn)室的另一個博士后佐藤戶城把一些生長因子混合起來，誘導(dǎo)腸道干細(xì)胞在培養(yǎng)皿中復(fù)制。他希望看到細(xì)胞鋪滿培養(yǎng)皿，但是只有單個的LGR5陽性細(xì)胞生長了出來?！白屛页泽@的美麗結(jié)構(gòu)，也激起了我的興趣?！比缃裨谌毡緫c應(yīng)大學(xué)的佐藤回憶說，那就是一個立體的腸道上皮組織。這個結(jié)構(gòu)自組織形成腸隱窩，還有像手指狀的突起-腸絨毛，并開始分泌自身的生化物質(zhì)。報道這個成果的論文被拒稿數(shù)次才得以發(fā)表，克萊弗斯回憶，“當(dāng)時大家甚至都不相信！”

很快，實(shí)驗(yàn)室開始培養(yǎng)來自胃、肝臟和其他器官LGR5陽性細(xì)胞，從而制造類器官。“那是一段令人興奮的時光，我真的覺得我們處于新發(fā)現(xiàn)的前沿，但是我們并不認(rèn)為，我們已經(jīng)開辟了一個新的領(lǐng)域?！辈┦亢竺啡鹛刂x爾·胡克（Meritxell Huch）表示。

微型身體器官

類器官是實(shí)驗(yàn)室培育出來的微型器官，改變了科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究。研究人員從許多不同器官中培育出類器官，還能制作來自腫瘤細(xì)胞的類器官，模擬癌癥。

如何培養(yǎng)腸道類器官？克萊弗斯實(shí)驗(yàn)室利用個體患者的腸道組織培養(yǎng)出腸道類器官。它們可以用來測試藥物的作用。第一步，取出組織樣本。從腸道上皮組織里取下非常小的一塊。第二步，培養(yǎng)。組織被浸泡在生長因子的混合溶液中，讓腸道干細(xì)胞增殖。第三步，收獲。直徑只有1毫米或以下的類器官會在3周內(nèi)生長出來，可以冷凍起來以便后續(xù)使用。

類器官有什么作用？可以將類器官用于多種不同的用途，以下是類器官在基礎(chǔ)研究和醫(yī)學(xué)中當(dāng)前和潛在的一些應(yīng)用：

毒性試驗(yàn)：利用類器官測試化學(xué)藥品對肝臟及人體其他器官的影響。

微生物組研究：研究正常人的腸道細(xì)菌是如何與腸道類器官相互作用的。

建立感染模型：用病毒或細(xì)菌感染類器官，能夠研究病原體對細(xì)胞的影響。

個體化藥物：來自患者個體的類器官能夠預(yù)測患者對藥物的反應(yīng)，不管是新藥還是現(xiàn)有藥物。

癌癥研究：從健康組織得到類器官，再向其中引入突變，以此研究癌癥的發(fā)病原因。

類器官研究方法多樣化

被干細(xì)胞和再生組織的潛力吸引，其他實(shí)驗(yàn)室也開始制造類器官。2009年，在佐藤戶城發(fā)表文章數(shù)月前，在美國斯坦福大學(xué)卡爾文·郭（Calvin Kuo）領(lǐng)銜的實(shí)驗(yàn)室中，博士后大谷秋文報告了一種生成腸道類器官的新方法。郭的方法是用組織碎片，而不是單個干細(xì)胞，把它們放在凝膠中生長，部分暴露在空氣中，而不是整個浸泡在營養(yǎng)培養(yǎng)基中。同時，日本理化研究發(fā)育生物學(xué)中心的佐佐為由木培育出了第一個大腦類器官，他用的不是成體的干細(xì)胞，而是用胚胎干細(xì)胞。其他研究人員用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的方法也得到了類器官，這種細(xì)胞類似于胚胎干細(xì)胞，但是由成體細(xì)胞誘導(dǎo)而來的。

不同的方法造就了不同種類的類器官，各有長處和劣勢。郭的類器官包含許多細(xì)胞類型，自稱能夠觀察到肌肉收縮等高級行為。因?yàn)槟切╊惼鞴俸虚g質(zhì)組織，這是腫瘤生長所必需的結(jié)締組織，在癌癥免疫療法等靶向間質(zhì)組織的療法研究中，它們更有用處。克萊弗斯的生長因子混合液能夠促進(jìn)增殖，主要形成由上皮細(xì)胞組成的類器官，所以他的方法無法適用于大腦和其他缺少或完全沒有上皮細(xì)胞的組織。他的類器官也不能用于測試靶向血管和免疫細(xì)胞的藥物。

但幾種方法都能從個體患者身上制造出類器官，在1～3周內(nèi)得到微型腸道。這些方法都是可復(fù)制的，類器官在培養(yǎng)過程中保持了遺傳穩(wěn)定性，也可以冷凍保存多年。

類器官產(chǎn)品開發(fā)

2013年，克萊弗斯等人創(chuàng)立了一家非營利性組織，胡布勒支類器官技術(shù)（HUB）來推廣類器官的應(yīng)用。HUB經(jīng)理羅布·弗里斯（Rob Vries）表示，克萊弗斯首先提議將類器官用于組織移植。研究表明，將健康類器官移植到患有大腸疾病的小鼠身上，可以修復(fù)損傷。弗里斯說：“但是，我們沒有采用這個方法，因?yàn)樯婕疤喾杀O(jiān)管上的束縛，成功的概率也很低。”

用類器官來治療CF是UMCU學(xué)者杰弗里·比克曼（Jeffrey Beekman）的創(chuàng)意。所有荷蘭的新生兒都要經(jīng)過CF篩查，結(jié)果呈陽性的嬰兒還要進(jìn)行大腸活體檢查，測試組織以評估缺陷基因的功能失調(diào)，然后存儲起來。比克曼認(rèn)為，從那些樣本里培養(yǎng)類器官相對簡單，他是這個項(xiàng)目的牽頭人。

2 000多種基因突變都可能引起CF，結(jié)果會導(dǎo)致?lián)p壞細(xì)胞膜上鹽和水流動的離子通道。這種病影響所有組織，但主要癥狀是在肺部和腸道產(chǎn)生很多粘液，導(dǎo)致胸部感染、咳嗽、呼吸困難和消化問題。

Ivacaftor以及Ivacaftor和 Lumacaftor的組合藥物都由美國波士頓的頂點(diǎn)醫(yī)藥公司銷售，能夠修復(fù)離子通道的功能，但是這些藥不是對每個患者都適用，它們只是針對最常見的突變，而這些常見突變患者在CF患者總?cè)藬?shù)中大約占據(jù)一半。頂點(diǎn)公司一直不愿意花費(fèi)數(shù)百萬美元對罕見突變患者進(jìn)行藥物試驗(yàn)，因?yàn)闈撛诘氖找婧苄。杀咎?。在歐洲，兩種藥每年花費(fèi)在10萬～20萬歐元之間，保健服務(wù)和保險公司都不愿意為未經(jīng)試驗(yàn)的突變患者買單。

范德海杰登就屬于這一類人，在荷蘭僅有其他2個人擁有和她一樣的突變。但是，來自她腸道的類器官接觸到Ivacaftor和Lumacaftor后，就像正常的腸道組織一樣膨脹起來，這意味著有缺陷的蛋白正在工作，鹽和水分可以自由穿透細(xì)胞膜。這一結(jié)果說服了頂點(diǎn)公司通過慈善項(xiàng)目免費(fèi)為范德海杰登提供藥品。以類器官試驗(yàn)為基礎(chǔ)，CF患者埃爾斯·范德海杰登接受了新型聯(lián)合用藥治療。數(shù)周后，她說：“我渾身充滿力量?！?/p>

HUB與頂點(diǎn)公司合作，已經(jīng)測試了來自CF患者的類器官對Ivacaftor的反應(yīng)，這些患者都參與了這種藥物的臨床實(shí)驗(yàn)。研究證實(shí)，類器官能夠預(yù)測哪些人會對藥物有反應(yīng)。

HUB還對50例患者的類器官進(jìn)行了Ivacaftor檢測，共涉及9種罕見突變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，保險公司同意為另外6名荷蘭患者支付藥費(fèi)，頂點(diǎn)公司也開始了針對罕見突變CF患者的首例Ivacaftor臨床藥物實(shí)驗(yàn)。與此同時，HUB在荷蘭健康保險公司的資助下建立了生物銀行，保存了1 500個荷蘭CF患者的類器官，用于檢測現(xiàn)有藥物和新藥。

“這是CF研究中的一件大事?！币啡隼涔_(dá)薩醫(yī)學(xué)中心的兒科學(xué)領(lǐng)頭人埃坦·凱雷姆（Eitan Kerem）表示，她也在建立類似的生物銀行，并在罕見突變患者中進(jìn)行了試驗(yàn)。類器官格外有用，因?yàn)镃F沒有較好的動物模型。凱雷姆表示，“只好用白鼬和豬作為模型，但是它們成本很高，大部分研究人員不易獲得。”

制藥和生物技術(shù)公司正在積極與HUB合作，探索類器官在其他疾病研究上的用途。在CF上的成功表明，他們可以建立其他單基因異常的模型，比如α-1抗胰蛋白酶缺乏（主要導(dǎo)致肺部和肝臟異常）。有些公司正在類器官上檢驗(yàn)失敗的藥物，與動物實(shí)驗(yàn)和臨床資料比較，希望找到能夠預(yù)測和避免失敗的方法。

類器官為癌癥研究提供模型

癌癥也是類器官研究的主要目標(biāo)。從腫瘤樣品中得到類器官，研究人員就得到了微型腫瘤，利用其來研究癌癥成因，檢測藥物等。

2009年，在微型腸道文章發(fā)表之后不久，紐約冷泉港實(shí)驗(yàn)室癌癥中心主任大衛(wèi)·圖文森（David Tuveson）開始推動克萊弗斯去制造胰腺癌的類器官。眾所周知，這種癌癥非常難以治療。圖文森認(rèn)為，現(xiàn)有的細(xì)胞培養(yǎng)模型都不能現(xiàn)實(shí)這一目標(biāo)，創(chuàng)造基因工程的小鼠需要一年時間，而類器官只需要3周。類器官已經(jīng)幫助闡明了導(dǎo)致胰腺癌的新途徑，未發(fā)表資料表明，它們能幫助研究人員預(yù)測哪些療法更有效果。他與克萊弗斯正在試圖通過添加間質(zhì)組織和免疫細(xì)胞，制造與真正癌癥相似的類器官。胡布勒支實(shí)驗(yàn)室也參與了兩個實(shí)驗(yàn)，評估來自患者個體的結(jié)腸癌類器官能否預(yù)測藥物反應(yīng)。

紐約紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥研究中心的查爾斯·索耶斯（Charles Sawyers）正在試圖制造前列腺癌類器官，但是很難，來自原發(fā)腫瘤的類器官通常不會生長，而來自轉(zhuǎn)移組織的腫瘤雖然能夠生長，但是正常細(xì)胞往往比癌細(xì)胞長得好。迄今為止也不過在20個患者身上獲得成功。但是索耶斯發(fā)現(xiàn)，他能輕易地得到正常前列腺組織的類器官?！斑@方法很有效，”他說，隨后運(yùn)用CRISPR等基因編輯技術(shù)能研究他需要的任何突變，他表示，“這是腫瘤抑制基因嗎？這是癌基因嗎？它是與基因XY協(xié)作嗎？你可以玩這種游戲！”

其他癌癥研究人員也想要加入。圖文森收到了很多培養(yǎng)類器官的請求，他開始在實(shí)驗(yàn)室舉辦定期研討會。2016年，美國國家癌癥研究所、英國癌癥研究中心、英國桑格研究院和HUB還一起啟動了一項(xiàng)計劃，培育包括類器官在內(nèi)的1 000多個細(xì)胞培養(yǎng)模型，提供給全世界科學(xué)家。

用個體化的類器官來治療癌癥仍然面臨許多障礙。各種癌癥類器官培養(yǎng)時間不同，但都需要盡量縮短時間，同時患者承擔(dān)的成本也有減少的需要。此外，癌癥在發(fā)展過程中積累了大量基因突變，來自患者早期癌癥的類器官有可能不能反映隨后的狀態(tài)。圖文森表示，“雖然如此，我認(rèn)為這是癌癥研究領(lǐng)域最具變革性的進(jìn)步?！?/p>

也許這些成果本應(yīng)令克萊弗斯很激動，但他很少會表露出來。在談到自己的研究時，他很少使用富有情感的語言，更傾向描述和解釋事實(shí)。親密的朋友有時也會覺得他的實(shí)用主義令人費(fèi)解，“他談?wù)撟约旱难芯?，就像某些人談?wù)摂Q螺釘一樣平淡無奇。”而克萊弗斯則表示，“發(fā)現(xiàn)一些新穎事情，已經(jīng)使我得到了高度滿足，而不管實(shí)際用處有多大?！?/p>

漢斯·克萊弗斯正在研究腸道、肝臟、肺等微型器官，作為一名基礎(chǔ)生物學(xué)家，他從未想到自己的研究有朝一日能挽救病人生命

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：游 溪]