科學(xué)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(lái)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構，組裝成人體的全副器官。這個(gè)過(guò)程依照內在的“生物學(xué)藍圖”有條不紊地進(jìn)行，ELISA試劑盒引導組織產(chǎn)生折疊、皺褶，形成適當的外形和大小。

    科學(xué)家很熟悉這個(gè)由簡(jiǎn)單到復雜的進(jìn)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(shí)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(xué)機制，也為了將這些信息應用于修復和替代受損組織。這個(gè)時(shí)刻或許已到來(lái)了。解密發(fā)育奧妙的工作zui近取得了不少成就，體外培養的替代器官有望在10年內就進(jìn)入手術(shù)室。

    我之所以作出如此樂(lè )觀(guān)的預測，是因為我的實(shí)驗室近來(lái)在干細胞研究上取得了一些成果。干細胞會(huì )分化成其他類(lèi)型的細胞。我們發(fā)現，即使在體外培養的環(huán)境下，干細胞也可以分化形成視網(wǎng)膜——眼睛里的關(guān)鍵結構之一，它把來(lái)自外部世界的光信號，ELISA試劑盒轉換成電信號和化學(xué)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的認識越來(lái)越深入，因此在做上述研究時(shí)，我們根據自己掌握的知識，對培養皿中的一層相互分離的細胞進(jìn)行誘導，讓它們形成了一種輪廓分明的三維結構。其實(shí)，這些細胞收到我們“輸入”的化學(xué)信號后，自己就會(huì )行動(dòng)起來(lái)，開(kāi)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。

培養皿中的奇跡

    剛開(kāi)始嘗試“培養”視網(wǎng)膜時(shí)，我們實(shí)驗室還在探討視網(wǎng)膜形成的一些基本問(wèn)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(lái)的。在胚胎發(fā)育的早期階段，間腦的一部分會(huì )擴展，形成氣球狀的視泡（optic vesicle），后者再向內凹陷，形成視杯；視杯進(jìn)一步形變，zui終成為視網(wǎng)膜。

    一個(gè)多世紀以來(lái)，生物學(xué)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(xué)家仍然各執一詞。其中一個(gè)較有爭議的問(wèn)題是，在視杯形成過(guò)程中，與之相鄰的一些結構，如晶狀體和角膜起了什么作用？有些科學(xué)家認為，視網(wǎng)膜向內凹陷，是因為受到了晶狀體的物理推動(dòng)作用；也有科學(xué)家認為，視杯無(wú)須借助晶狀體的作用，就可以自己形成。

    要想在活著(zhù)的、正在發(fā)育中的動(dòng)物身上觀(guān)察這一現象絕非易事，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(guò)程“提取”出來(lái)。

    具體做法是，先在培養皿中培養胚胎干細胞，然后加入眼睛發(fā)育所需的化學(xué)物質(zhì)，觀(guān)察培養皿中發(fā)生的情況。從發(fā)育程度上來(lái)說(shuō)，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(shí)，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(lèi)組織工程學(xué)技術(shù)在培植真實(shí)器面并不是很成功。

    因此，我們決定另辟蹊徑。在正式動(dòng)手之前，我們做了一些準備工作。2000年，我們發(fā)明了一種細胞培養方法，可以把小鼠的胚胎干細胞轉變成多種神經(jīng)細胞。隨后，我們在培養皿中培養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(huì )向胚胎干細胞傳遞化學(xué)信號，促使后者發(fā)育、分化，脫離胚胎狀態(tài)。我們培養這些細胞的目的，并不是要復制某個(gè)人體器官的三維結構，而是想看看，僅用細胞自身的化學(xué)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(méi)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(shí)驗室在培養干細胞時(shí)，細胞只能平鋪在培養皿上，但在2005年，我們突破了“二維限制”，可以讓干細胞懸浮在培養液中，這就是“懸浮培養”。我們采用這種三維培養技術(shù)的原因有很多。首先，在懸浮培養中，細胞聚集時(shí)，本身就會(huì )形成三維結構，因此在產(chǎn)生復雜組織時(shí)，會(huì )比平鋪的細胞層更容易；其次，為了發(fā)育成復雜的結構，細胞之間需要相互交流，而三維培養更適于促進(jìn)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基中，然后注入多孔培養皿的小孔中（每個(gè)小孔只有微量的培養基，含大約3 000個(gè)胚胎干細胞）。我們發(fā)現，原本分開(kāi)的胚胎干細胞開(kāi)始聚集在一起。

    隨后，就可以誘導這些微小的細胞聚集體，讓它們全部分化為一種神經(jīng)前體細胞（neural progenitor）——這類(lèi)細胞通常存在于大腦前部。然后，這些細胞開(kāi)始相互發(fā)送信號，經(jīng)過(guò)三四天的時(shí)間，它們便自發(fā)組織成中空的球體，由單層的神經(jīng)上皮細胞構成（神經(jīng)上皮細胞即神經(jīng)干細胞，由前體細胞分化而來(lái)）。我們把這種形成單細胞層的方法稱(chēng)作SFEBq培養法，即“胚狀體樣聚集體的快速再聚集無(wú)血清懸浮培養法”（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(lái)自細胞外的化學(xué)信號，zui終形成特異的大腦組織結構。在這些化學(xué)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）。成功地使胚胎干細胞形成球體之后，我們實(shí)驗室開(kāi)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基中繼續保存了數天之后，視網(wǎng)膜上皮組織自發(fā)地向外突出，形成視泡樣的結構。然后，突起部分的頂端又開(kāi)始內陷，ELISA試劑盒形成酒杯狀結構，很像胚胎上眼睛的視杯。與活體動(dòng)物中一樣，這個(gè)源自胚胎干細胞的視杯也由內外兩層組成：外壁是上皮層，內壁便是視網(wǎng)膜。

    換句話(huà)說(shuō)，在培養皿中，原本分開(kāi)的干細胞組成的聚集體，獨自形成了有序的結構——真是名副其實(shí)的“eyepopping”（這個(gè)詞有雙關(guān)含義，從字面上理解，就是“眼睛出現”，而這個(gè)詞本身的含義是“使人瞠目的”）。不像在胚胎中，培養皿中并沒(méi)有晶狀體和角膜。這一發(fā)現清楚地回答了那個(gè)存在已久的問(wèn)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(gè)基于細胞內部程序的自發(fā)現象。