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【论文背后的故事】iPSCs:偶然发现,重大发现!

2013年7月,利用诱导性多功能干细胞(iPSCs),日本科学家首次成功培育出具有功能的人类肝脏。这项发表在《自然》上的研究结果轰动了整个科学界。当前急需器官移植的患者众多,器官的捐献率却常年处于低位。iPS细胞培养的器官有望成为移植脏器的新来源,减少患者对于捐赠器官的依赖。果壳网采访了文章的第一作者、横滨市立大学医学院再生医学系的研究助理武部贵则博士。


横滨市立大学医学院再生医学系的研究助理武部贵则。武部所在的研究小组利用人类诱导性多功能干细胞(iPSCs),在体外培育出简单的人类肝脏,移植到小鼠体内后,这些肝脏成功血管化并正常行使功能。这是科学界首次用诱导性多功能干细胞(iPSCs)培育出具有功能的人类器官。图片来源:武部贵则

 

果壳网:你是如何想到使用诱导性多能干细胞分化的干细胞、人类脐静脉内皮细胞、间充质干细胞这三种细胞来形成肝芽呢?

武部贵则:我在哥伦比亚大学的医学院接受过移植手术的训练。我见到很多病人,包括很小的孩子,他们因为不能及时得到器官捐献而在等待中死去。那时,我还目睹了器官移植旅游现象(transplant tourism)。我决定投身到以用干细胞制造器官为目标的职业,在谷口教授(谷口英树,Taniguchi Hideki,文章[1]的通讯作者)的指导下开始工作。谷口教授以前是一名移植外科医生。

这项研究起源于我们观察到一些出人意料的现象。两年前,根据谷口教授的建议,我被指派去用细胞支架构建血管化的组织。实验用到来源于胎儿肝脏的干细胞、人类脐静脉内皮细胞和人类间充质干细胞。

有一天,这三种细胞都被剩下了一点,我觉得不用太浪费,所以就不想扔掉。于是,我突发奇想把它们放进同一个培养皿中培养。从这个意义上讲,我只是偶然选择了这几种细胞,并将它们接种到无涂层培养皿中的。这些培养皿不是专门用来培养细胞的,细胞没有办法贴附在上面。我那时也没什么期待,可是到了第二天,我惊讶地发现细胞形成了三维结构[2]。最令我吃惊的是,这个过程完全不需要任何支架,这些细胞自己组装起来。这完全出乎我的意料。随后,由于我非常强烈地希望原封不动地把细胞团移植,我在培养皿上涂上一层厚厚的基质胶,将细胞团完整地取了出来。平板培养一天过后,我们所见到的三维组织形式就与文章里所示的一样了。重要的是,它看起来跟扎雷特教授(Kenneth S. Zaret)在文章中[3]提及的,体内的肝芽非常相像。我为这种细胞自组装现象感到好奇,但推测这大概只是在模仿体内器官的形成过程——扎雷特在研究中提示了形成肝芽的过程中三种细胞和谐配合的重要性。

果壳网:培养肝芽的这个过程中,最艰难的工作是什么?这项技术还能用来构建其他器官吗?

武部贵则:那时,我还没有用到诱导性多能干细胞(iPSCs),但我确信这种方法也适用于iPSC分化出的细胞,于是便开始利用由iPS细胞分化成的肝细胞做试验。那时没有任何的参考文献,需要摸索很久才能获得现在的结果。每种细胞的品质、数量、比率、营养物和基本培养基的选择和优化都需要成百上千次的实验,这些过程就花去一年时间。需要强调的是,三种细胞的混合培养只是构建血管化三维组织的一项基本因素,并不是培养肝芽的全部所需。我们现在正在评估其他细胞世系的潜在作用,以图令肝脏的构建更加有效率、更加完美。

我们认为,利用这种方法构建同样由内胚层发育而成的器官很可能会比较容易可行。例如胰脏就是一个很有前途的发展对象。我们现在也在评估这项技术在其他器官上的适用程度,并在构建胰组织方面取得了好的成果。

果壳网:虽然这项成果震撼人心,但还不是完美的——这些肝芽本身没有胆管系统。在使得肝芽更完善的过程中,还有什么需要改进的?在之后的研究中,研究者又最该将目光集中在哪些问题上?

武部贵则:我们的首要动机在于临床应用。我们希望能尽早利用这项技术解决因器官捐献短缺造成的悲惨局面。在这个层面上,我们目前的瓶颈在于,肝脏是人体内脏中最大的器官,有着100-1000亿个肝细胞。我们需要以合理的成本制备出非常大量的肝芽并进行安全评估。另外,要知道,美国有超过4000位垂死的病人正在等待着器官捐献。你可以想象一下,我们需要制备多少肝芽才足够拯救他们的生命。而且,从实验室过渡到临床也需要很长时间,但我相信我们会取得成功。我们现在正在计划在接下来的7-10年内进行临床应用。

如你所言,现在肝芽具备的功能的确能够挽救肝衰竭,但还不是完美的。虽然在肝芽中能看到胆小管,但胆汁外流系统并没有完全被构建好。这可能是我们的下一项挑战,而且克服它所需的时间会更长,因为我们得把构建好的肝组织和肠组织连接起来。最重要的是,在第一次临床试验之前,我们都并不需要达到这种程度。例如,用肝芽进行正位移植时(我们现在正在评估这种做法的可能性,目前取得了良好的结果),可以利用原有的胆管系统。到开始人体临床试验,粗略估计还得十年左右。

参考资料:

  1. Takebe, T., & Sekine, K. (2013, 03). Nature. Vascularized and functional human liver from an iPSC-derived organ bud transplant.
  2. Takebe T, et al. Self-organization of human hepatic organoid by recapitulating organogenesis in vitro, Transplantation proceedings 44 (4), 1018-1020
  3. Matsumoto, K., Yoshitomi, H., Rossant, J. & Zaret, K. S. Liver organogenesis promoted by endothelial cells prior to vascular function. Science 294(5542), 559–563


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发布于2013-07-16, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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