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    科學家已經(jīng)可以誘導干細胞形成視網(wǎng)膜，這為很多眼疾患者帶來希望。

    在子宮里，一團相同的細胞分化成各種不同的模樣，zui終形成高度有序的結(jié)構(gòu)，組裝成人體的全副器官。這個過程依照內(nèi)在的“生物學藍圖”有條不紊地進行，ELISA試劑盒引導組織產(chǎn)生折疊、皺褶，形成適當?shù)耐庑魏痛笮　?/p>

    科學家很熟悉這個由簡單到復雜的進程，他們一直在思索胚胎發(fā)育的機制，暗自驚嘆它的奧妙，又渴望在實驗臺上重演早期發(fā)育階段——既為了更好地理解其中的生物學機制，也為了將這些信息應用于修復和替代受損組織。這個時刻或許已到來了。解密發(fā)育奧妙的工作zui近取得了不少成就，體外培養(yǎng)的替代器官有望在10年內(nèi)就進入手術(shù)室。

    我之所以作出如此樂觀的預測，是因為我的實驗室近來在干細胞研究上取得了一些成果。干細胞會分化成其他類型的細胞。我們發(fā)現(xiàn)，即使在體外培養(yǎng)的環(huán)境下，干細胞也可以分化形成視網(wǎng)膜——眼睛里的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，它把來自外部世界的光信號，ELISA試劑盒轉(zhuǎn)換成電信號和化學信號，繼而傳遞給大腦的其他部位。此外，我和同事還培植出了皮層組織，以及垂體的一部分。由于我們對人體信號傳導系統(tǒng)的認識越來越深入，因此在做上述研究時，我們根據(jù)自己掌握的知識，對培養(yǎng)皿中的一層相互分離的細胞進行誘導，讓它們形成了一種輪廓分明的三維結(jié)構(gòu)。其實，這些細胞收到我們“輸入”的化學信號后，自己就會行動起來，開始建造視網(wǎng)膜。這一研究成果讓很多人看到了希望：用這種方法制備的視網(wǎng)膜組織有望用于治療黃斑變性等多種眼疾。

培養(yǎng)皿中的奇跡

    剛開始嘗試“培養(yǎng)”視網(wǎng)膜時，我們實驗室還在探討視網(wǎng)膜形成的一些基本問題。我們知道，視網(wǎng)膜是從胎兒大腦中名為“間腦”（diencephalon）的那一部分發(fā)育而來的。在胚胎發(fā)育的早期階段，間腦的一部分會擴展，形成氣球狀的視泡（optic vesicle），后者再向內(nèi)凹陷，形成視杯；視杯進一步形變，zui終成為視網(wǎng)膜。

    一個多世紀以來，生物學家一直就視杯形成的機制爭論不休，直到今天，研究大腦發(fā)育的科學家仍然各執(zhí)一詞。其中一個較有爭議的問題是，在視杯形成過程中，與之相鄰的一些結(jié)構(gòu)，如晶狀體和角膜起了什么作用？有些科學家認為，視網(wǎng)膜向內(nèi)凹陷，是因為受到了晶狀體的物理推動作用；也有科學家認為，視杯無須借助晶狀體的作用，就可以自己形成。

    要想在活著的、正在發(fā)育中的動物身上觀察這一現(xiàn)象絕非易事，因此大約在10年前，我的研究團隊決定做一次嘗試，看能不能把眼睛的發(fā)育過程“提取”出來。

    具體做法是，先在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)胚胎干細胞，然后加入眼睛發(fā)育所需的化學物質(zhì)，觀察培養(yǎng)皿中發(fā)生的情況。從發(fā)育程度上來說，胚胎干細胞是zui原始的干細胞，zui終可以分化成從神經(jīng)到肌肉的各種組織。

    當時，把干細胞培育成器官的技術(shù)尚不存在。人們曾把相互分離的干細胞“撒”在膀胱或食管形狀的人工骨架上，試圖搭建出新的器官。這類組織工程學技術(shù)在培植真實器面并不是很成功。

    因此，我們決定另辟蹊徑。在正式動手之前，我們做了一些準備工作。2000年，我們發(fā)明了一種細胞培養(yǎng)方法，可以把小鼠的胚胎干細胞轉(zhuǎn)變成多種神經(jīng)細胞。隨后，我們在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)了一層小鼠胚胎干細胞，并加入一些可充當“傳遞員”的細胞——這些細胞會向胚胎干細胞傳遞化學信號，促使后者發(fā)育、分化，脫離胚胎狀態(tài)。我們培養(yǎng)這些細胞的目的，并不是要復制某個人體器官的三維結(jié)構(gòu)，而是想看看，僅用細胞自身的化學信號，是否足以讓胚胎干細胞形成眼睛發(fā)育早期所*的神經(jīng)細胞。

    起初，我們沒有獲得多大的成功，但在2005年，我們在技術(shù)上取得了突破。以前，我們實驗室在培養(yǎng)干細胞時，細胞只能平鋪在培養(yǎng)皿上，但在2005年，我們突破了“二維限制”，可以讓干細胞懸浮在培養(yǎng)液中，這就是“懸浮培養(yǎng)”。我們采用這種三維培養(yǎng)技術(shù)的原因有很多。首先，在懸浮培養(yǎng)中，細胞聚集時，本身就會形成三維結(jié)構(gòu)，因此在產(chǎn)生復雜組織時，會比平鋪的細胞層更容易；其次，為了發(fā)育成復雜的結(jié)構(gòu)，細胞之間需要相互交流，而三維培養(yǎng)更適于促進這樣的交流，因為細胞之間可以更加靈活地發(fā)生相互作用。

    使用這種新方法，我們把相互分離的胚胎干細胞懸浮在液體培養(yǎng)基中，然后注入多孔培養(yǎng)皿的小孔中（每個小孔只有微量的培養(yǎng)基，含大約3 000個胚胎干細胞）。我們發(fā)現(xiàn)，原本分開的胚胎干細胞開始聚集在一起。

    隨后，就可以誘導這些微小的細胞聚集體，讓它們?nèi)糠只癁橐环N神經(jīng)前體細胞（neural progenitor）——這類細胞通常存在于大腦前部。然后，這些細胞開始相互發(fā)送信號，經(jīng)過三四天的時間，它們便自發(fā)組織成中空的球體，由單層的神經(jīng)上皮細胞構(gòu)成（神經(jīng)上皮細胞即神經(jīng)干細胞，由前體細胞分化而來）。我們把這種形成單細胞層的方法稱作SFEBq培養(yǎng)法，即“胚狀體樣聚集體的快速再聚集無血清懸浮培養(yǎng)法”（serum-free floating culture of embryoid body-like aggregate with quick reaggregation）。

    在胚胎中，神經(jīng)上皮細胞接收來自細胞外的化學信號，zui終形成特異的大腦組織結(jié)構(gòu)。在這些化學信號中，有一種信號可觸發(fā)間腦的發(fā)育，形成視網(wǎng)膜和下丘腦（hypothalamus，控制食欲和其他許多基本生理功能的腦區(qū)）。成功地使胚胎干細胞形成球體之后，我們實驗室開始嘗試，誘導這些細胞分化成視網(wǎng)膜前體細胞——成熟視網(wǎng)膜細胞的前體。我們向SFEBq培養(yǎng)體系中加入了一系列蛋白質(zhì)。在胚胎中，這些蛋白的作用正是誘導視網(wǎng)膜前體細胞的產(chǎn)生。

    當這些細胞球體在懸浮培養(yǎng)基中繼續(xù)保存了數(shù)天之后，視網(wǎng)膜上皮組織自發(fā)地向外突出，形成視泡樣的結(jié)構(gòu)。然后，突起部分的頂端又開始內(nèi)陷，ELISA試劑盒形成酒杯狀結(jié)構(gòu)，很像胚胎上眼睛的視杯。與活體動物中一樣，這個源自胚胎干細胞的視杯也由內(nèi)外兩層組成：外壁是上皮層，內(nèi)壁便是視網(wǎng)膜。

    換句話說，在培養(yǎng)皿中，原本分開的干細胞組成的聚集體，獨自形成了有序的結(jié)構(gòu)——真是名副其實的“eyepopping”（這個詞有雙關(guān)含義，從字面上理解，就是“眼睛出現(xiàn)”，而這個詞本身的含義是“使人瞠目的”）。不像在胚胎中，培養(yǎng)皿中并沒有晶狀體和角膜。這一發(fā)現(xiàn)清楚地回答了那個存在已久的問題：原始視網(wǎng)膜的形成，是否需要晶狀體等鄰近組織施加外部作用力。至少在體外，視網(wǎng)膜的形成是一個基于細胞內(nèi)部程序的自發(fā)現(xiàn)象。