回顧與展望——培養(yǎng)皿中的器官如何助力藥物研發(fā)

       1982年，具有開(kāi)創(chuàng)性意義的科幻電影《刀鋒戰(zhàn)士》首映。導(dǎo)演雷德利·斯科特借助電影的想象力，營(yíng)造了一個(gè)組織和器官再造，甚至人造人也司空見(jiàn)慣的世界。這部電影上映時(shí)間比人類(lèi)基因組第一版草圖的發(fā)布早18年，比克隆羊多利的誕生早14年?？梢哉f(shuō)，當(dāng)時(shí)電影創(chuàng)作者對(duì)基因工程未來(lái)的發(fā)展方向和該技術(shù)隨之而來(lái)的倫理困境有著驚人的先見(jiàn)之明。30多年后的今天，在我們需要的時(shí)候，可以像購(gòu)物一樣，買(mǎi)到與我們基因序列相同的，可供替代我們身體某一部分的商品化的組織器官仍然只是科幻小說(shuō)里描寫(xiě)的場(chǎng)景。但是，向著該方向的第一步已經(jīng)邁出。

       近年來(lái)，在細(xì)胞培養(yǎng)相關(guān)研究中，利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSCs)培養(yǎng)復(fù)雜的組織和器官取得了重大進(jìn)展。這些組織和器官雖然不完善，但已開(kāi)始顯示其自然對(duì)應(yīng)物的結(jié)構(gòu)和功能。自2008年以來(lái)，世界各地的研究人員陸續(xù)創(chuàng)造出了大腦、腎 臟、肝 臟、胰 腺、視網(wǎng)膜、氣管以及最新的腸道等身體部分的原始版本，這些組織工程器官是借助一種三維的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。

       類(lèi)器官研究領(lǐng)域里程碑事件盤(pán)點(diǎn)

       2008年，日本理化學(xué)研究所團(tuán)隊(duì)通過(guò)誘導(dǎo)刺激神經(jīng)細(xì)胞，使其形成了有組織層次的團(tuán)簇。

       2009年，Hubrech研究所報(bào)道，腸道干細(xì)胞可以形成類(lèi)細(xì)胞器。

       2010年，匹茲堡大學(xué)的研究人員在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件下設(shè)計(jì)了一個(gè)3D系統(tǒng)，用來(lái)模擬結(jié)腸癌干細(xì)胞的生長(zhǎng)模式。

       2011年，美國(guó)的臨床醫(yī)生為罹患癌癥的患者植入了人工氣管，而該氣管由癌癥患者自身的干細(xì)胞培育生長(zhǎng)而來(lái)。

       2012年，來(lái)自Mario Negri藥學(xué)研究所的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出了類(lèi)似腎 臟的器官，當(dāng)該器官被移植到動(dòng)物體內(nèi)時(shí)，可以發(fā)揮腎 臟的某些功能。

       2013年，奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所培育創(chuàng)造出了具有復(fù)雜器官結(jié)構(gòu)的大腦模型；日本橫濱的研究人員從皮膚干細(xì)胞中培育出了肝 臟的雛形；索克生物研究所的科學(xué)家采用干細(xì)胞誘導(dǎo)的方法，培養(yǎng)形成了類(lèi)似腎 臟外形結(jié)構(gòu)的蘑菇狀組織團(tuán)；哥本哈根大學(xué)的研究人員使胰 腺細(xì)胞呈樹(shù)狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。

       2014年，辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)療中心的科學(xué)家首次從干細(xì)胞中培育出具有功能的人類(lèi)腸道組織。

       隨之而來(lái)的醫(yī)學(xué)突破的潛力是顯而易見(jiàn)的。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，體外培養(yǎng)的類(lèi)胰 腺器官能夠?qū)ρ撬阶龀鲞m當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，當(dāng)被移植到糖尿病患者體內(nèi)時(shí)，可能能夠恢復(fù)一定程度的胰島素功能，從而達(dá)到治療糖尿病的目的。

       然而，該技術(shù)短期內(nèi)更有望對(duì)制藥研發(fā)產(chǎn)生更直接和深遠(yuǎn)的影響。制藥公司目前在初始篩選發(fā)現(xiàn)可能有藥用價(jià)值的化合物方面已經(jīng)做到了令人難以置信的高效，但是到了臨床試驗(yàn)階段，淘汰率及相關(guān)的花費(fèi)消耗仍然居高不下。 造成這一藥物研發(fā)瓶頸的主要原因之一是，針對(duì)藥物靶標(biāo)的測(cè)試往往只涉及了孤立的細(xì)胞-換句話(huà)說(shuō)，是一個(gè)二維系統(tǒng)，并不能真實(shí)反映人體的三維環(huán)境狀態(tài)。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的干細(xì)胞研究人員阿德里安·蘭加(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細(xì)胞培養(yǎng)，也可以減少監(jiān)管機(jī)構(gòu)在進(jìn)行臨床試驗(yàn)之前需要的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物數(shù)量。而這恰恰也是藥物研發(fā)過(guò)程中另一高成本的來(lái)源。實(shí)際上，由于人體和動(dòng)物模型生理上存在某些根本的差異，采用動(dòng)物模型得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不正確，從而導(dǎo)致藥物研發(fā)的失敗。

       科學(xué)家最近在A(yíng)dvanced Drug Delivery Reviews（ADDR）雜志上撰文指出，"類(lèi)器官或原始器官不僅從結(jié)構(gòu)和外形上高度模擬了其體內(nèi)真實(shí)器官，而且還具備該人體器官的基礎(chǔ)功能，將極有可能從實(shí)驗(yàn)室概念轉(zhuǎn)化為藥物研發(fā)過(guò)程的強(qiáng)有力工具。"該文章總結(jié)道，類(lèi)器官可以在化合物篩選和臨床試驗(yàn)之間提供"缺失的聯(lián)系"：不僅可以作為試驗(yàn)藥物在其靶器官的有效性測(cè)試的模型，而且還可以用來(lái)測(cè)試藥物的肝 臟**或胃腸道生物利用度等其他特性。

       今年10月，美國(guó)辛辛那提兒童醫(yī)院醫(yī)療中心的研究人員在Nature Medicine上發(fā)表文章，他們用生長(zhǎng)因子刺激來(lái)自成人皮膚和血液樣本中的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(IPSCs)，首次成功地在實(shí)驗(yàn)室條件下誘導(dǎo)干細(xì)胞形成了具有功能的人腸道器官組織。結(jié)果表明，當(dāng)移植到轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)時(shí)，這些器官可以發(fā)育成熟，而不會(huì)引起免疫應(yīng)答。結(jié)構(gòu)上它們由粘膜襯里和肌肉層中的分化細(xì)胞組成，并且能夠發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)吸收功能。該團(tuán)隊(duì)首席研究員Michael Helmrath說(shuō)："這一研究支持了患者的特定細(xì)胞可以用來(lái)再生腸道的假設(shè)。"未來(lái)，患者可以接受來(lái)自自身干細(xì)胞的組織移植，以治療"可能導(dǎo)致腸道衰竭的疾病狀態(tài)"，但與此同時(shí)，用組織代替常規(guī)藥物篩選和動(dòng)物試驗(yàn)"可能會(huì)縮短藥物研發(fā)所需時(shí)間"。

       甚至有跡象表明，隨著技術(shù)的進(jìn)步和完善，將來(lái)組織工程培育的多種器官可以結(jié)合在一起，形成一個(gè)復(fù)雜的，"培養(yǎng)皿中的人體（human-in-a-dish）"系統(tǒng)，這無(wú)疑將更接近于人體內(nèi)的環(huán)境。

       助力藥物毒理測(cè)試

       美國(guó)猶他州大學(xué)的研究人員David Grainger和Anna Astashkina 也在A(yíng)DDR中發(fā)文報(bào)告了由于**指標(biāo)測(cè)試不合格導(dǎo)致的藥物研發(fā)失敗"仍然是臨床試驗(yàn)和上市后監(jiān)測(cè)階段藥物成本高消耗和淘汰率居高不下的主要原因之一"。他們指出，三維類(lèi)肝 臟器官的創(chuàng)建"是三維器官培養(yǎng)系統(tǒng)在藥物體外**預(yù)測(cè)方面應(yīng)用的最成功案例之一"，他們進(jìn)一步補(bǔ)充說(shuō)道，即使是簡(jiǎn)單的"球體狀"肝 臟，也能提供關(guān)于肝 臟特異性代謝和毒理方面的有價(jià)值的信息。

       然而，這種方法仍然存在嚴(yán)重的局限性，如目前還沒(méi)有從這些體外器官類(lèi)似物研究中推斷人類(lèi)藥物劑量的標(biāo)準(zhǔn)方法，目前的技術(shù)還不能通過(guò)控制培養(yǎng)生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模類(lèi)器官的生產(chǎn)，以滿(mǎn)足高通量篩選的需求。盡管如此，劍橋大學(xué)Gurdon研究所的科學(xué)家Meritxell Huch表示，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景可期。今年早些時(shí)候，她因從成年小鼠干細(xì)胞中培育肝 臟器官方面的卓越工作成果而獲得了英國(guó)國(guó)家動(dòng)物研究中心的獎(jiǎng)項(xiàng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)旨在鼓勵(lì)替代、改良和減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。Huch說(shuō)："通常情況下，研究一種潛在的治療肝 臟疾病的藥物化合物，每個(gè)實(shí)驗(yàn)需要50只活動(dòng)物，因此測(cè)試1000種化合物需要5萬(wàn)只老鼠。""通過(guò)使用我們研發(fā)的肝 臟培養(yǎng)系統(tǒng)，我們可以用來(lái)自一只老鼠的細(xì)胞來(lái)測(cè)試1000個(gè)化合物，從而大大減少了動(dòng)物的使用量。"

       建立疾病模型

       與此同時(shí)，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多地使用器官培養(yǎng)的方法來(lái)建立病變組織，特別是惡性腫瘤的模型。許多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)描述了這些模型與2D細(xì)胞培養(yǎng)相比是如何產(chǎn)生明顯不同的藥物反應(yīng)的。不久的將來(lái)，腫瘤對(duì)藥物治療的反應(yīng)不僅可以在體外器官培養(yǎng)中被檢測(cè)評(píng)估，而且可以將這些器官植入活的有機(jī)體，從而在更真實(shí)的情景下得到檢驗(yàn)。

       9月份，研究人員在Cell雜志上報(bào)道了他們是如何從血液循環(huán)中存在的腫瘤細(xì)胞中誘導(dǎo)培育出前列腺癌組織模型的。這些腫瘤細(xì)胞在病人體內(nèi)保留了與前列腺癌細(xì)胞相同的特征。據(jù)該研究的領(lǐng)導(dǎo)者，美國(guó)斯隆·凱特林癌癥紀(jì)念中心的 Yu Chen稱(chēng)，這項(xiàng)研究成果可以克服前列腺癌研究中的主要障礙，即缺乏能夠模擬"人類(lèi)疾病多樣性"的體外研究模型。"通過(guò)從前列腺癌患者樣本中培養(yǎng)出這些腫瘤模型，我們能夠更詳細(xì)地研究腫瘤，并將應(yīng)用不同藥物后腫瘤產(chǎn)生的反應(yīng)和基因突變聯(lián)系起來(lái)。"

       業(yè)界專(zhuān)家在A(yíng)DDR的評(píng)論文章中指出，不管前景如何，在藥物研發(fā)中使用這些模型仍處于起步階段。未來(lái)能否在藥物研發(fā)領(lǐng)域更廣泛地實(shí)施這些生物器官模擬的方法，將取決于該技術(shù)方法是否可以達(dá)到像現(xiàn)有細(xì)胞系研究那樣的，可重復(fù)的一致性結(jié)果。

       資料來(lái)源：

       1.Advanced Drug Delivery Review

       2.Pubmed數(shù)據(jù)庫(kù)

       3.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/       

       筆者簡(jiǎn)介：劉佳寧，上海交通大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)碩士，臨床醫(yī)生，研究方向：鎮(zhèn)痛鎮(zhèn)靜藥物的臨床應(yīng)用，臟器保護(hù)作用機(jī)制及影響。