有望不用再等肝移植！基因工程治好小鼠肝病

（原標題：Genetic engineering transformed stem cells into working mini-livers that extended the life of mice with liver disease）

作者 | 小小

出品 | 本站科技《知否》欄目組（公衆號：tech_163）

日前研究人員通過基因工程將幹細胞轉化爲可用的肝臟組織，從而延長了患有肝病的小鼠壽命。

圖示：實驗室環境下培育出的人類肝臟組織橫截面，綠色顯示的是其中的血管

長期以來，科學家一直在研究如何培育人類肝臟，其中最大的挑戰在於如何引導幹細胞分裂爲成熟可用的功能性器官。而最近的這項研究表明，利用基因工程，幹細胞可以轉化爲成熟組織。

想象一下，如果研究人員可以對幹細胞直接進行編程，這樣就可以分裂成完整的人體器官。這不僅有助於科學家制造用於測試藥物的人體組織，而且可以直接利用病人細胞培育出新的器官，從而減少對移植器官的需求。

在最近發表的一篇論文中，合成生物學領域的研究人員展示了在實驗室環境下培育器官的一個關鍵挑戰，也就是弄清楚哪些基因是分裂成成熟肝臟細胞所必需的。

誘導性多功能幹細胞（Induced pluripotent stem cells）是幹細胞的一個亞羣，其能夠產生在人體內發育完整器官的細胞。但只有當這些幹細胞在合適時機從環境中接收到正確數量的生長信號時，它們才能完成這項工作。在合適情況下，這些幹細胞最終會轉化爲不同類型的細胞，從而發育轉化到成熟的器官和組織。

研究人員利用誘導性多功能幹細胞生成的組織可以爲從移植器官到藥物測試所需人體組織提供一個獨特來源。

但不幸的是，利用幹細胞合成的人體組織並不總是適合器官移植或藥物測試，因爲它們要麼含有來自其他組織的多餘細胞，要麼缺乏組織成熟度以及其中完整的血管網絡。

研究人員決定建立一種合成生物學方法來讀寫或編程組織發育過程。他們在實驗中使用了幹細胞的遺傳語言，類似於自然狀態下用來形成人體器官的語言。

基因設計的組織和器官

匹茲堡肝臟研究中心（Pittsburgh Liver Research Center）和麥高恩再生醫學研究所（ McGowan Institute for Regenerative Medicine）正在從事合成生物學和生物工程等方面的研究，目標是利用工程方法分析和構建新的生物系統，致力於替換、再生或修復患病器官或組織，從而解決人類健康問題。

研究人員之所以選擇培育人類肝臟，是因爲這個器官對控制諸如蛋白質或糖等血液中大多數化學物質的水平至關重要。肝臟還能分解有害化學物質，代謝體內許多藥物。但肝臟組織也非常脆弱的，可以受許多疾病的影響和破壞。而供體器官的短缺也限制了肝臟移植。

爲了製造人造器官和組織，科學家需要能夠控制幹細胞的發育，從而形成諸如肝細胞和血管細胞不同類型的細胞。研究的目標是使這些幹細胞發育成微型器官或類器官，其中包括血管和自然器官中可以找到的其他正確成體細胞。

讓合成組織成熟的一種方法是確定誘導相應幹細胞生長、成熟並進化成完整的功能性器官所需的基因列表。爲了得出這個列表，研究人員們首先計算分析來確定將一組幹細胞轉化爲成熟肝臟的相關基因。然後，研究團隊使用基因工程改變已確定的特定基因，並使用它們從幹細胞中構建出成熟人類肝臟組織。

培養皿中的肝臟

研究人員首先比較了實驗室環境下培養的胎兒肝臟類器官中的活性基因和成人肝臟中的活性基因，通過計算分析得到了促進胎兒肝臟類器官發育爲成人肝臟器官所需的基因列表。

然後，研究人員使用基因工程來調整基因以及相應的蛋白質，這是幹細胞進一步發育爲成熟肝臟所必需的。在大約17天的時間裡，研究人員培育出了幾毫米寬的成熟肝臟組織，其中含有一系列細胞，這些細胞通常出現在人類妊娠晚期的胎兒肝臟中。

和成熟的人類肝臟一樣，實驗室中培育出的合成肝臟能夠儲存、合成和代謝營養物質。雖然所培育出的肝臟組織很小，但研究人員有希望在未來將其逐步變大。雖然與成年肝臟有許多相似之處，但並不完美。研究人員還需要提高肝臟組織對各種藥物的代謝能力，還需要使其更安全更有效，以便最終應用於人體本身。

此項研究證明了在實驗室環境下，幹細胞能夠在短短兩週半內發育成熟並形成一個功能性的帶有血管的組織。研究人員相信這種方法可以爲基因編程製造其他人體器官作出貢獻。

當研究人員把實驗室培養的肝臟組織移植到患有肝病的小鼠身上時，有效延長了小鼠壽命。因此，他們將這種類器官命名爲“設計類器官”，因爲它們是通過基因設計培育完成的。（辰辰）

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