·類器官還不等于縮小版的器官（比如腦類器官），其和體內(nèi)的器官相比還有距離，還需要做很多基礎(chǔ)研究去攻關(guān)，也需要較長時間的積累發(fā)展以拓展技術(shù)前沿。

·毫無疑問大腦肯定是最難重構(gòu)的器官，這一方面是由于大腦本身最復(fù)雜，另一方面則是重構(gòu)完整的大腦也存在倫理方面的問題。

干細(xì)胞（stem cells）具有分化成其它細(xì)胞的神奇潛力。通過選擇特定的干細(xì)胞類型并對細(xì)胞生長環(huán)境進(jìn)行精密調(diào)控，科學(xué)家就能夠在體外培養(yǎng)出類似臟腑、骨骼、血液甚至大腦的“類器官”，作為醫(yī)療或者實驗的重要材料。

目前多數(shù)類器官模型僅涵蓋單一組織類型，而組織器官的發(fā)育成熟以及人體功能的正常實現(xiàn)通常需依賴不同組織間的相互交流協(xié)作，比如神經(jīng)、肌肉和骨骼的相互作用。近日，上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院向陽飛課題組利用人類多能干細(xì)胞構(gòu)建了首個自組織的人類神經(jīng)肌肉骨骼類器官（human neuromusculoskeletal organoids, hNMSOs），相關(guān)論文于2024年12月9日發(fā)表在《細(xì)胞-干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）上。

早期胚胎中存在能分化為不同胚層所有細(xì)胞類型的細(xì)胞，被稱為“多能干細(xì)胞”。在發(fā)育過程中，內(nèi)胚層分化為消化、呼吸等系統(tǒng)，中間胚層發(fā)育為肌肉、骨骼等，外胚層則發(fā)育為神經(jīng)系統(tǒng)和表皮等器官或組織。

隨著技術(shù)進(jìn)步，科學(xué)家目前已經(jīng)能夠通過對成體細(xì)胞重新“編程”，讓其回到多能干細(xì)胞的狀態(tài)，并按需要進(jìn)行培養(yǎng)分化。為了模擬多種器官組織互動的狀態(tài)，研究人員們通常會將預(yù)先培養(yǎng)好的單一類器官進(jìn)行組裝和融合。而在這項研究中，研究者們通過共發(fā)育策略，讓肌肉、骨骼、神經(jīng)三種類型的組織細(xì)胞共同“生長”了出來，從而更簡便地模擬了生命的自組織過程。

在培育形成的數(shù)毫米見方的類器官組織中，研究者們鑒定出了這三種不同組織的細(xì)胞，并揭示了神經(jīng)元的產(chǎn)生、神經(jīng)控制肌肉收縮等過程。他們也應(yīng)用該模型對關(guān)節(jié)炎疾病中神經(jīng)肌肉骨骼軸的異常開展了探索，揭示了病理性骨骼變性后的神經(jīng)肌肉結(jié)構(gòu)與功能變化。

該類器官組織具體是如何培養(yǎng)的？在模擬疾病方面還有哪些應(yīng)用潛力？干細(xì)胞能發(fā)育成完整的器官嗎？該技術(shù)在技術(shù)和倫理上還有哪些挑戰(zhàn)？為了回答這些問題，澎湃科技采訪了該研究的通訊作者、上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員向陽飛。

【對話】

培養(yǎng)皿里“長”出來的類器官

澎湃科技：你能介紹一下神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)的重要性以及為什么需要在體外模擬這個系統(tǒng)嗎？

向陽飛（通訊作者、上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院研究員）：神經(jīng)、肌肉、骨骼組織之間相互關(guān)聯(lián)、相互依存，對運動調(diào)控等正常生理功能的實現(xiàn)必不可少。在發(fā)育過程中，這三種組織也是互相影響。骨骼為骨骼肌發(fā)育提供支撐，同時骨骼肌與神經(jīng)細(xì)胞建立連接并受到神經(jīng)調(diào)控。在生理或疾病背景下研究這三種人體組織的互作需要合適的模型，技術(shù)上，目前相關(guān)的方法還比較欠缺。

澎湃科技：人神經(jīng)肌肉骨骼類器官（hNMSOs）與真實人體組織相比有何相似之處嗎？

向陽飛：hNMSOs包含三個區(qū)域：位于類器官一端的神經(jīng)區(qū)域，位于中間的骨骼肌區(qū)域，和位于另一端的骨骼區(qū)域。三個區(qū)域分別模擬了人的脊髓、骨骼肌和骨骼組織。我們在研究中，通過其形態(tài)結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)及與人體三種組織的比較，明確了它們的身份特征。

澎湃科技：該研究最大的技術(shù)突破是什么？

向陽飛：hNMSOs與以往的將不同類器官進(jìn)行組裝的策略不同，是通過多譜系共發(fā)育的策略實現(xiàn)了三種不同組織的分化，即在相同的培養(yǎng)條件下，實現(xiàn)三種組織的產(chǎn)生。而且，我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞具備極強的自組織潛能，即在無外界引導(dǎo)的條件下，神經(jīng)、肌肉、骨骼組織可自組織形成獨立的區(qū)域并保持互相之間的聯(lián)系。在該工作中，我們實現(xiàn)了類器官的復(fù)合化（模擬不同細(xì)胞的互作），同時又保證了方法的簡便性，這對于后續(xù)的應(yīng)用非常重要。

澎湃科技：hNMSOs具體是如何培養(yǎng)的？需要多長時間才能形成成熟的類器官？

向陽飛：hNMSOs構(gòu)建起始于人多能干細(xì)胞，如胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。在適合神經(jīng)外胚層和近軸中胚層共同誘導(dǎo)的培養(yǎng)基里，三維懸浮培養(yǎng)由干細(xì)胞聚集形成的擬胚體。培養(yǎng)三周左右，原本均一的球形擬胚體會形成兩個結(jié)構(gòu)區(qū)域，在進(jìn)一步的培養(yǎng)中（約1個月），類器官會呈現(xiàn)上述的神經(jīng)、肌肉、骨骼三個區(qū)域，也就是說，培養(yǎng)至1個月的類器官已經(jīng)出現(xiàn)了三種譜系自組織形成的組織區(qū)域。功能成熟需要更長時間（數(shù)月），由于hNMSOs包含了三種組織，每種組織的成熟評價標(biāo)準(zhǔn)并不相同。

澎湃科技：如何驗證這些類器官是否具有神經(jīng)、肌肉和骨骼組織的功能？

向陽飛：我們結(jié)合多電極陣列、鈣成像等技術(shù)，明確了神經(jīng)組織的電生理功能，以及神經(jīng)細(xì)胞對骨骼肌收縮的控制能力。同時，我們也發(fā)現(xiàn)骨骼組織的支撐對骨骼肌的結(jié)構(gòu)、功能發(fā)育十分重要。這些研究都揭示了神經(jīng)、肌肉、骨骼的功能相關(guān)性。

模擬疾病的利器，仍需技術(shù)突破和倫理考量

澎湃科技：hNMSOs在模擬疾病方面有哪些應(yīng)用？

向陽飛：hNMSOs對研究涉及神經(jīng)、肌肉、骨骼互作的疾病應(yīng)用具有優(yōu)勢。比如，關(guān)節(jié)炎會導(dǎo)致骨組織病變，病人也常出現(xiàn)肌肉功能障礙，而在人體模型中研究相關(guān)病理環(huán)境下骨骼、神經(jīng)、肌肉的變化非常困難。我們探索了促炎細(xì)胞因子局部誘導(dǎo)骨骼組織病變的情況下，神經(jīng)肌肉連接的結(jié)構(gòu)與功能也出現(xiàn)異常變化，為后續(xù)開展相關(guān)研究提供了理論和模型依據(jù)。當(dāng)然，hNMSOs完全可以被用于研究多種與神經(jīng)、肌肉、骨骼組織相關(guān)的多種疾病，如漸凍癥（ALS）、脊髓性肌萎縮癥（SMA）等等。

澎湃科技：hNMSOs未來的研究方向有哪些？它們在醫(yī)學(xué)研究中將扮演什么角色？

向陽飛：從發(fā)育機制層面，hNMSOs可以幫助認(rèn)識譜系發(fā)育、細(xì)胞自組織的調(diào)控機制。從醫(yī)學(xué)應(yīng)用層面，如上面提到，hNMSOs將可幫助研究多種復(fù)雜的疾病機制，從而探索潛在的干預(yù)策略。

澎湃科技：Science雜志最近發(fā)布了科學(xué)前沿的125個問題，其中有一條是干細(xì)胞發(fā)育成完整器官的挑戰(zhàn)。您認(rèn)為這個問題有可能解決嗎？還需要哪些突破？

向陽飛：干細(xì)胞發(fā)育成完整器官完全有可能。實現(xiàn)這個目標(biāo)，完全依賴干細(xì)胞技術(shù)或許還不夠，還需要多學(xué)科、技術(shù)的交叉，比如生物材料支架，更復(fù)雜的、適合大尺寸器官培養(yǎng)的反應(yīng)裝置等。總體來看，這是一個需要跨學(xué)科合作的目標(biāo)。面臨的難度和器官類型也有關(guān)，毫無疑問大腦肯定是最難重構(gòu)的器官，這一方面是由于大腦本身最復(fù)雜，另一方面則是重構(gòu)完整的大腦也存在倫理方面的問題。

澎湃科技：在進(jìn)行此類研究時，如何平衡科學(xué)探索與倫理考量？

向陽飛：從事干細(xì)胞相關(guān)研究都有倫理考量。比如，在開展腦類器官研究時，需要關(guān)注實驗室制備的腦類器官的功能復(fù)雜度，比如類器官是否和真實人腦一樣能思考、有記憶、有意識等。國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)下制備的腦類器官，離實現(xiàn)如此復(fù)雜的高級腦功能還有很大的距離，因此，現(xiàn)階段并沒有倫理擔(dān)憂。同時，倫理討論是大家一直在進(jìn)行的，尤其隨著技術(shù)的快速發(fā)展，對潛在的倫理問題的關(guān)注也有必要，比如上面提到的大腦類器官。

澎湃科技：公眾對于干細(xì)胞研究和類器官技術(shù)有哪些常見的誤解？如何解釋這些技術(shù)的實際應(yīng)用和潛力？

向陽飛：類器官還不等于縮小版的器官（比如腦類器官），其和體內(nèi)的器官相比還有距離，還需要做很多基礎(chǔ)研究去攻關(guān)，也需要較長時間的積累發(fā)展以拓展技術(shù)前沿。我們研究類器官技術(shù)已有十余年，技術(shù)層面，面臨的挑戰(zhàn)還較多。所以，我會建議實驗室成員堅持更深入地想問題、更扎實地做研究，最終為研究人體器官提供更為貼切的體外模型技術(shù)。

同時，現(xiàn)有的類器官技術(shù)已經(jīng)展示出巨大的應(yīng)用潛力，這主要是由于其可以體現(xiàn)人源乃至個體特異遺傳背景，從而助力疾病機制和靶點發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用。另外，對于部分器官組織，如視網(wǎng)膜、腸道、肝臟等，類器官技術(shù)也已經(jīng)被應(yīng)用于再生醫(yī)學(xué)修復(fù)的探索。隨著類器官技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用潛力更值得期待。