2013年7月，利用誘導性多功能干細胞（iPSCs），日本科學家首次成功培育出具有功能的人類肝臟。這項發(fā)表在《自然》上的研究結(jié)果轟動了整個科學界。當前急需器官移植的患者眾多，器官的捐獻率卻常年處于低位。iPS細胞培養(yǎng)的器官有望成為移植臟器的新來源，減少患者對于捐贈器官的依賴。果殼網(wǎng)采訪了文章的第一作者、橫濱市立大學醫(yī)學院再生醫(yī)學系的研究助理武部貴則博士。
橫濱市立大學醫(yī)學院再生醫(yī)學系的研究助理武部貴則。武部所在的研究小組利用人類誘導性多功能干細胞（iPSCs），在體外培育出簡單的人類肝臟，移植到小鼠體內(nèi)后，這些肝臟成功血管化并正常行使功能。這是科學界首次用誘導性多功能干細胞（iPSCs）培育出具有功能的人類器官。圖片來源：武部貴則
果殼網(wǎng)：你是如何想到使用誘導性多能干細胞分化的干細胞、人類臍靜脈內(nèi)皮細胞、間充質(zhì)干細胞這三種細胞來形成肝芽呢？
武部貴則：我在哥倫比亞大學的醫(yī)學院接受過移植手術的訓練。我見到很多病人，包括很小的孩子，他們因為不能及時得到器官捐獻而在等待中死去。那時，我還目睹了器官移植旅游現(xiàn)象（transplant tourism）。我決定投身到以用干細胞制造器官為目標的職業(yè)，在谷口教授（谷口英樹，Taniguchi Hideki，文章[1]的通訊作者）的指導下開始工作。谷口教授以前是一名移植外科醫(yī)生。
這項研究起源于我們觀察到一些出人意料的現(xiàn)象。兩年前，根據(jù)谷口教授的建議，我被指派去用細胞支架構(gòu)建血管化的組織。實驗用到來源于胎兒肝臟的干細胞、人類臍靜脈內(nèi)皮細胞和人類間充質(zhì)干細胞。
有一天，這三種細胞都被剩下了一點，我覺得不用太浪費，所以就不想扔掉。于是，我突發(fā)奇想把它們放進同一個培養(yǎng)皿中培養(yǎng)。從這個意義上講，我只是偶然選擇了這幾種細胞，并將它們接種到無涂層培養(yǎng)皿中的。這些培養(yǎng)皿不是專門用來培養(yǎng)細胞的，細胞沒有辦法貼附在上面。我那時也沒什么期待，可是到了第二天，我驚訝地發(fā)現(xiàn)細胞形成了三維結(jié)構(gòu)[2]。最令我吃驚的是，這個過程完全不需要任何支架，這些細胞自己組裝起來。這完全出乎我的意料。隨后，由于我非常強烈地希望原封不動地把細胞團移植，我在培養(yǎng)皿上涂上一層厚厚的基質(zhì)膠，將細胞團完整地取了出來。平板培養(yǎng)一天過后，我們所見到的三維組織形式就與文章里所示的一樣了。重要的是，它看起來跟扎雷特教授（Kenneth S. Zaret）在文章中[3]提及的，體內(nèi)的肝芽非常相像。我為這種細胞自組裝現(xiàn)象感到好奇，但推測這大概只是在模仿體內(nèi)器官的形成過程——扎雷特在研究中提示了形成肝芽的過程中三種細胞和諧配合的重要性。
果殼網(wǎng)：培養(yǎng)肝芽的這個過程中，最艱難的工作是什么？這項技術還能用來構(gòu)建其他器官嗎？
武部貴則：那時，我還沒有用到誘導性多能干細胞（iPSCs），但我確信這種方法也適用于iPSC分化出的細胞，于是便開始利用由iPS細胞分化成的肝細胞做試驗。那時沒有任何的參考文獻，需要摸索很久才能獲得現(xiàn)在的結(jié)果。每種細胞的品質(zhì)、數(shù)量、比率、營養(yǎng)物和基本培養(yǎng)基的選擇和優(yōu)化都需要成百上千次的實驗，這些過程就花去一年時間。需要強調(diào)的是，三種細胞的混合培養(yǎng)只是構(gòu)建血管化三維組織的一項基本因素，并不是培養(yǎng)肝芽的全部所需。我們現(xiàn)在正在評估其他細胞世系的潛在作用，以圖令肝臟的構(gòu)建更加有效率、更加完美。
我們認為，利用這種方法構(gòu)建同樣由內(nèi)胚層發(fā)育而成的器官很可能會比較容易可行。例如胰臟就是一個很有前途的發(fā)展對象。我們現(xiàn)在也在評估這項技術在其他器官上的適用程度，并在構(gòu)建胰組織方面取得了好的成果。
果殼網(wǎng)：雖然這項成果震撼人心，但還不是完美的——這些肝芽本身沒有膽管系統(tǒng)。在使得肝芽更完善的過程中，還有什么需要改進的？在之后的研究中，研究者又最該將目光集中在哪些問題上？
武部貴則：我們的首要動機在于臨床應用。我們希望能盡早利用這項技術解決因器官捐獻短缺造成的悲慘局面。在這個層面上，我們目前的瓶頸在于，肝臟是人體內(nèi)臟中最大的器官，有著100-1000億個肝細胞。我們需要以合理的成本制備出非常大量的肝芽并進行安全評估。另外，要知道，美國有超過4000位垂死的病人正在等待著器官捐獻。你可以想象一下，我們需要制備多少肝芽才足夠拯救他們的生命。而且，從實驗室過渡到臨床也需要很長時間，但我相信我們會取得成功。我們現(xiàn)在正在計劃在接下來的7-10年內(nèi)進行臨床應用。
如你所言，現(xiàn)在肝芽具備的功能的確能夠挽救肝衰竭，但還不是完美的。雖然在肝芽中能看到膽小管，但膽汁外流系統(tǒng)并沒有完全被構(gòu)建好。這可能是我們的下一項挑戰(zhàn)，而且克服它所需的時間會更長，因為我們得把構(gòu)建好的肝組織和腸組織連接起來。最重要的是，在第一次臨床試驗之前，我們都并不需要達到這種程度。例如，用肝芽進行正位移植時（我們現(xiàn)在正在評估這種做法的可能性，目前取得了良好的結(jié)果），可以利用原有的膽管系統(tǒng)。到開始人體臨床試驗，粗略估計還得十年左右。
參考資料：
- Takebe, T., & Sekine, K. (2013, 03). Nature. Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant.
- Takebe T, et al. Self-organization of human hepatic organoid by recapitulating organogenesis in vitro, Transplantation proceedings 44 (4), 1018-1020
- Matsumoto, K., Yoshitomi, H., Rossant, J. & Zaret, K. S. Liver organogenesis promoted by endothelial cells prior to vascular function. Science 294(5542), 559–563
