培养皿中的器官将助力药物研发成为趋势

近年来，在细胞培养相关研究中，利用诱导多能干细胞(IPSCs)培养复杂的组织和器官取得了重大进展。这些组织和器官虽然不完善，但已开始显示其自然对应物的结构和功能。

自2008年以来，世界各地的研究人员陆续创造出了大脑、肾脏、肝脏、胰腺、视网膜、气管以及最新的肠道等身体部分的原始版本，这些组织工程器官是借助一种三维的细胞骨架结构实现的。

类器官研究领域里程碑事件盘点

2008年，日本理化学研究所团队通过诱导刺激神经细胞，使其形成了有组织层次的团簇。

2009年，Hubrech研究所报道，肠道干细胞可以形成类细胞器。

2010年，匹兹堡大学的研究人员在实验室培养条件下设计了一个3D系统，用来模拟结肠癌干细胞的生长模式。

2011年，美国的临床医生为罹患癌症的患者植入了人工气管，而该气管由癌症患者自身的干细胞培育生长而来。

2012年，来自Mario Negri药学研究所的团队创造出了类似肾脏的器官，当该器官被移植到动物体内时，可以发挥肾脏的某些功能。

2013年，奥地利科学院分子生物技术研究所培育创造出了具有复杂器官结构的大脑模型;日本横滨的研究人员从皮肤干细胞中培育出了肝脏的雏形;索克生物研究所的科学家采用干细胞诱导的方法，培养形成了类似肾脏外形结构的蘑菇状组织团;哥本哈根大学的研究人员使胰腺细胞呈树状结构生长。

2014年，辛辛那提儿童医院医疗中心的科学家首次从干细胞中培育出具有功能的人类肠道组织。

随之而来的医学突破的潜力是显而易见的。举个例子来说，体外培养的类胰腺器官能够对血糖水平做出适当的反应，当被移植到糖尿病患者体内时，可能能够恢复一定程度的胰岛素功能，从而达到治疗糖尿病的目的。

然而，该技术短期内更有望对制药研发产生更直接和深远的影响。制药公司目前在初始筛选发现可能有药用价值的化合物方面已经做到了令人难以置信的高效，但是到了临床试验阶段，淘汰率及相关的花费消耗仍然居高不下。 造成这一药物研发瓶颈的主要原因之一是，针对药物靶标的测试往往只涉及了孤立的细胞-换句话说，是一个二维系统，并不能真实反映人体的三维环境状态。瑞士联邦理工学院的干细胞研究人员阿德里安·兰加(Adrian Ranga)和尼古拉·格列夫斯基(Nikolche Gjorevski)表示，用3D器官或“原始器官”代替2D细胞培养，也可以减少监管机构在进行临床试验之前需要的实验动物数量。而这恰恰也是药物研发过程中另一高成本的来源。实际上，由于人体和动物模型生理上存在某些根本的差异，采用动物模型得出的实验结果往往不正确，从而导致药物研发的失败。

科学家最近在Advanced Drug Delivery Reviews(ADDR)杂志上撰文指出，“类器官或原始器官不仅从结构和外形上高度模拟了其体内真实器官，而且还具备该人体器官的基础功能，将极有可能从实验室概念转化为药物研发过程的强有力工具。”该文章总结道，类器官可以在化合物筛选和临床试验之间提供“缺失的联系”：不仅可以作为试验药物在其靶器官的有效性测试的模型，而且还可以用来测试药物的肝脏毒性或胃肠道生物利用度等其他特性。

今年10月，美国辛辛那提儿童医院医疗中心的研究人员在Nature Medicine上发表文章，他们用生长因子刺激来自成人皮肤和血液样本中的诱导多能干细胞(IPSCs)，首次成功地在实验室条件下诱导干细胞形成了具有功能的人肠道器官组织。结果表明，当移植到转基因小鼠体内时，这些器官可以发育成熟，而不会引起免疫应答。结构上它们由粘膜衬里和肌肉层中的分化细胞组成，并且能够发挥营养吸收功能。该团队首席研究员Michael Helmrath说：“这一研究支持了患者的特定细胞可以用来再生肠道的假设。”未来，患者可以接受来自自身干细胞的组织移植，以治疗“可能导致肠道衰竭的疾病状态”，但与此同时，用组织代替常规药物筛选和动物试验“可能会缩短药物研发所需时间”。

甚至有迹象表明，随着技术的进步和完善，将来组织工程培育的多种器官可以结合在一起，形成一个复杂的，“培养皿中的人体(human-in-a-dish)”系统，这无疑将更接近于人体内的环境。

助力药物毒理测试

美国犹他州大学的研究人员David Grainger和Anna Astashkina 也在ADDR中发文报告了由于毒性指标测试不合格导致的药物研发失败“仍然是临床试验和上市后监测阶段药物成本高消耗和淘汰率居高不下的主要原因之一”。他们指出，三维类肝脏器官的创建“是三维器官培养系统在药物体外毒性预测方面应用的最成功案例之一”，他们进一步补充说道，即使是简单的“球体状”肝脏，也能提供关于肝脏特异性代谢和毒理方面的有价值的信息。

然而，这种方法仍然存在严重的局限性，如目前还没有从这些体外器官类似物研究中推断人类药物剂量的标准方法，目前的技术还不能通过控制培养生长条件，实现大规模类器官的生产，以满足高通量筛选的需求。尽管如此，剑桥大学Gurdon研究所的科学家Meritxell Huch表示，这项技术应用前景可期。今年早些时候，她因从成年小鼠干细胞中培育肝脏器官方面的卓越工作成果而获得了英国国家动物研究中心的奖项，该奖项旨在鼓励替代、改良和减少动物实验。Huch说：“通常情况下，研究一种潜在的治疗肝脏疾病的药物化合物，每个实验需要50只活动物，因此测试1000种化合物需要5万只老鼠。”“通过使用我们研发的肝脏培养系统，我们可以用来自一只老鼠的细胞来测试1000个化合物，从而大大减少了动物的使用量。”

建立疾病模型

与此同时，科学家们越来越多地使用器官培养的方法来建立病变组织，特别是恶性肿瘤的模型。许多研究团队已经描述了这些模型与2D细胞培养相比是如何产生明显不同的药物反应的。不久的将来，肿瘤对药物治疗的反应不仅可以在体外器官培养中被检测评估，而且可以将这些器官植入活的有机体，从而在更真实的情景下得到检验。

9月份，研究人员在Cell杂志上报道了他们是如何从血液循环中存在的肿瘤细胞中诱导培育出前列腺癌组织模型的。这些肿瘤细胞在病人体内保留了与前列腺癌细胞相同的特征。据该研究的领导者，美国斯隆·凯特林癌症纪念中心的 Yu Chen称，这项研究成果可以克服前列腺癌研究中的主要障碍，即缺乏能够模拟“人类疾病多样性”的体外研究模型。“通过从前列腺癌患者样本中培养出这些肿瘤模型，我们能够更详细地研究肿瘤，并将应用不同药物后肿瘤产生的反应和基因突变联系起来。”

业界专家在ADDR的评论文章中指出，不管前景如何，在药物研发中使用这些模型仍处于起步阶段。未来能否在药物研发领域更广泛地实施这些生物器官模拟的方法，将取决于该技术方法是否可以达到像现有细胞系研究那样的，可重复的一致性结果。