说出来你可能不信，我们都能有「两个脑袋」
丁香园
在自然界，许多动物拥有着令人惊叹的再生能力，比如「超级选手」海星、蝾螈、斑马鱼（心脏可再生）、扁虫（头部可再生）……科学家们一直希望将这些神奇应用于生命科学，解决器官移植、药物开发等问题。
干细胞是组织再生的「源泉」，在此基础之上诞生的「类器官」（organoids）给予了更多的可能。这些在体外培养的微小结构，可以模拟人体器官的复杂结构，还可以重塑体内肿瘤组织的关键特性，有着代替动物试验、实现器官移植的巨大潜力。
类器官的获得与治疗潜能
01 助力精准医学的「秘密武器」
自 2000 年代末，生物学家们就开启了类器官的摸索历程，他们在实验室利用细胞培育、分化、自组装成各种类似人体组织的 3D 结构，制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的各种类器官。
■ 建立疾病模型
虽然距离真正的器官（缺乏血管、免疫等重要结构）还很远，但是类器官可以模拟人类发育早期的器官形成过程，研究基因突变和传染病等对正常器官功能的影响。
2009 年，类器官领域的领军人物、荷兰皇家科学院院士 Hans Clevers 教授曾带领团队利用肠道内的母细胞培育出 3D 铅笔尖大小的类肠道，用于药物筛选，这一方法比临床试验更便捷、成本也低，自此开启了类器官疾病研究的浪潮。
2015 年，Hans Clevers 团队再一次发表了开创性研究：基于癌症患者肿瘤衍生出的 3D 类器官，构建首个结直肠癌类器官「生物银行」。类器官可以复制原发肿瘤的突变信息，适用于高通量的药物筛选，检测与药物敏感性相关的一些遗传改变，为个体化治疗癌症提供了新思路[1]。
结直肠癌类器官「生物银行」构建图示。
图片来源：Cell
■ 药物筛选
通常，动物（例如小鼠）是临床前研究的首选模型，但是构建合适的动物模型需要至少数月的时间。而且很多药物在临床前研究中（包括体外试验和动物试验）取得的疗效并不能在后期的临床试验中得到重现，这是众多药物研发中途夭折的重要原因。
现在，类器官给出了新选择，可以在较短时间内模拟出疾病特征，从而反映临床结果。2018 年 2 月，来自于伦敦癌症研究所的研究团队在《Science》期刊发表了最新成果证实，源于人类肿瘤的类器官可以用于测试癌症药物，从而预测患者对药物的反应。数据显示，如果药物对类器官有效，则 88% 对患者有效；如果药物对类器官无效，则 100% 对患者无效。这对于与时间赛跑的癌症患者而言，无疑是条高效率的捷径[2]。
图片来源：Pixabay
02 如何构建类器官？
诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）在类器官构建中发挥着举足轻重的作用。2017 年，美国 Cedars-Sinai 医学中心的 Xiaojiang Cui 团队在 Cell 子刊《Stem Cell Reports》上发表了最新研究，揭示了基于 iPSCs 构建乳腺类器官的简化方法——两步法 [3]。
首先，研究团队采用非神经元的外胚层模式诱导 iPSCs，并利用特定培养基对其进行乳腺分化。具体而言，他们利用悬浮球培养使得 iPSCs 分化成拟胚体（embryoid bodies，mEBs）。
随后，研究人员将 mEBs 培养于 3D 培养系统，生成类似于乳腺的类器官。这一培育过程需要用到基质胶、乳腺发育相关的激素及生长因子等化合物。
二步法构建乳腺类器官的过程[3]
基于二步法获得的乳腺类器官，经验证成功表达有乳腺标志物（例如 lactalbumin/LALBA、EpCAM、 CK14 和 P63）。这意味着，在特定条件下由 iPSCs 分化、培育而来的类器官具备乳腺的关键特征。虽然尚且不能完美复制乳房的复杂形态，但是明确了 iPSCs 来源的乳腺类器官的所需元素，从而为乳腺疾病的建模和治疗提供了良好材料。
03 3D 培养的「后盾」
3D 培养例离不开基质胶 BME（Basement Membrane Extract）。BME 是一种由小鼠细胞的胞外蛋白质组成的胶，为类器官提供营养，可广泛应用于包括支持细胞生长和分化、细胞粘附、血管新生、体外细胞迁移 / 侵袭、体内成瘤等在内的多个领域。
R&D Systems 所提供的基质胶 Cultrex® BME 产品线是类器官 3D 培养的「利器」，拥有 4 大优势[4]：
1. 批次间的一致性。这是 R&D Systems 所有产品线一贯坚持的标准。Cultrex® BME 是一种来源于 EHS 小鼠肉瘤的天然基质胶，经严苛的制造工艺锤炼，可以模拟体内细胞基底膜的结构、组成，具有类似的物理特性和功能。
相比于其他产品，考马斯亮蓝法定量法显示 Cultrex® BME 培养基中蛋白成分较为一致。
2. 应用的多样性。Cultrex® BME 产品种类多样，适用于干细胞培养、类器官培养以及其它 3D 培养等，例如通用型 Cultrex® Original BME，广泛应用于 2D/3D 培养、细胞粘附、细胞侵袭实验；Cultrex® BME 3 则适用于异种移植或肿瘤移植，包括人源肿瘤异种移植模型（PDX）。
3. 深受类器官研究领袖认可。Cultrex® 培养基蛋白的性能和质量已经受到干细胞、癌症研究领域大牛的密切关注，例如 Hans Clevers 教授团队曾利用 Cultrex® BME 2 培育出肠道类器官；华盛顿大学医学中心 Hynda K Kleinman 教授团队发现 Cultrex® BME 可以促进肿瘤细胞或者活检组织快速生长，并保留有原发性肿瘤表型[5]。
从诱导性多功能干细胞（iPSCs）培育出的肾脏类器官（图片来源：Minoru Takasato）
4. 权威第三方认证：R&D Systems 的 Cultrex® BME 产品被维基百科收录，《Nature Protocols》杂志更是将其列为标准化实验方案：
Fridman R1, et al. Increased initiation and growth of tumor cell lines, cancer stem cells and biopsy material in mice using basement membrane matrix protein (Cultrex or Matrigel) co-injection. Nat Protoc. 2012 May 17;7(6):1138-44.
近年来，Cultrex® BME 产品登顶各大知名期刊，代表性引用文献如下：
1. Lipid-mediated Wnt protein stabilization enables serum-free culture of human organ stem cells. Nature Communications, 2017.
2. Induced Quiescence of Lgr5+ Stem Cells in Intestinal Organoids Enables Differentiation of Hormone-Producing Enteroendocrine Cells. Cell Stem Cell, 2017.
3. Culture and establishment of self-renewing human and mouse adult liver and pancreas 3D organoids and their genetic manipulation. Nature Protocols, 2016.
4. ‘Normalizing’ the malignant phenotype of luminal breast cancer cells via alpha(v)beta(3)-integrin. Cell Death & Disease, 2016.
5. Long-term culture of genome-stable bipotent stem cells from adult human liver. Cell, 2015.
6. Plasticity between Epithelial and Mesenchymal States Unlinks EMT from Metastasis-Enhancing Stem Cell Capacity. Cell Reports, 2016.
7. The antitumorigenic function of EGFR in metastatic breast cancer is regulated by expression of Mig6. Neoplasia, 2015.
8. Prospective derivation of a living organoid biobank of colorectal cancer patients. Cell, 2015.
9. Sustained in vitro intestinal epithelial culture within a Wnt-dependent stem cell niche. Nature Medicine, 2009.
类器官技术在个性化医疗领域有着巨大的前景，未来，它或许可以与细胞 2D 培养和动物模型系统实现互补，改变医学研究、疾病治疗的传统范式。我们拭目以待！
