·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，還需要做很多基礎研究去攻關，也需要較長時間的積累發(fā)展以拓展技術前沿。

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

干細胞（stem cells）具有分化成其它細胞的神奇潛力。通過選擇特定的干細胞類型并對細胞生長環(huán)境進行精密調(diào)控，科學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?？萍即髮W生命科學與技術學院向陽飛課題組利用人類多能干細胞構建了首個自組織的人類神經(jīng)肌肉骨骼類器官（human neuromusculoskeletal organoids, hNMSOs），相關論文于2024年12月9日發(fā)表在《細胞-干細胞》（Cell Stem Cell）上。

早期胚胎中存在能分化為不同胚層所有細胞類型的細胞，被稱為“多能干細胞”。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。

隨著技術進步，科學家目前已經(jīng)能夠通過對成體細胞重新“編程”，讓其回到多能干細胞的狀態(tài)，并按需要進行培養(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先培養(yǎng)好的單一類器官進行組裝和融合。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。他們也應用該模型對關節(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)肌肉結構與功能變化。

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用潛力？干細胞能發(fā)育成完整的器官嗎？該技術在技術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?？萍即髮W生命科學與技術學院研究員向陽飛。

【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?？萍即髮W生命科學與技術學院研究員）：神經(jīng)、肌肉、骨骼組織之間相互關聯(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，技術上，目前相關的方法還比較欠缺。

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)結構、基因表達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：該研究最大的技術突破是什么？

向陽飛：hNMSOs與以往的將不同類器官進行組裝的策略不同，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)細胞具備極強的自組織潛能，即在無外界引導的條件下，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)了類器官的復合化（模擬不同細胞的互作），同時又保證了方法的簡便性，這對于后續(xù)的應用非常重要。

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構建起始于人多能干細胞，如胚胎干細胞或誘導多能干細胞。在適合神經(jīng)外胚層和近軸中胚層共同誘導的培養(yǎng)基里，三維懸浮培養(yǎng)由干細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構區(qū)域，在進一步的培養(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準并不相同。

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：我們結合多電極陣列、鈣成像等技術，明確了神經(jīng)組織的電生理功能，以及神經(jīng)細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構、功能發(fā)育十分重要。這些研究都揭示了神經(jīng)、肌肉、骨骼的功能相關性。

模擬疾病的利器，仍需技術突破和倫理考量

澎湃科技：hNMSOs在模擬疾病方面有哪些應用？

向陽飛：hNMSOs對研究涉及神經(jīng)、肌肉、骨骼互作的疾病應用具有優(yōu)勢。比如，關節(jié)炎會導致骨組織病變，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。我們探索了促炎細胞因子局部誘導骨骼組織病變的情況下，神經(jīng)肌肉連接的結構與功能也出現(xiàn)異常變化，為后續(xù)開展相關研究提供了理論和模型依據(jù)。當然，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可以幫助認識譜系發(fā)育、細胞自組織的調(diào)控機制。從醫(yī)學應用層面，如上面提到，hNMSOs將可幫助研究多種復雜的疾病機制，從而探索潛在的干預策略。

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

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

澎湃科技：在進行此類研究時，如何平衡科學探索與倫理考量？

向陽飛：從事干細胞相關研究都有倫理考量。比如，在開展腦類器官研究時，需要關注實驗室制備的腦類器官的功能復雜度，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)有的技術下制備的腦類器官，離實現(xiàn)如此復雜的高級腦功能還有很大的距離，因此，現(xiàn)階段并沒有倫理擔憂。同時，倫理討論是大家一直在進行的，尤其隨著技術的快速發(fā)展，對潛在的倫理問題的關注也有必要，比如上面提到的大腦類器官。

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

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，還需要做很多基礎研究去攻關，也需要較長時間的積累發(fā)展以拓展技術前沿。我們研究類器官技術已有十余年，技術層面，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。

同時，現(xiàn)有的類器官技術已經(jīng)展示出巨大的應用潛力，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，類器官技術也已經(jīng)被應用于再生醫(yī)學修復的探索。隨著類器官技術的進一步發(fā)展，其應用潛力更值得期待。