成功開發人體肝臟類器官！合成生物學+機器學習為肝臟移植帶來新希望！

原國家衛計委等部門統計數據顯示，我國每年大約有150萬器官衰竭患者，其中有30萬患者適合器官移植方式治療，但僅有1萬多人能得到器官移植救治。因此，供體器官與受體需求的極度不平衡已經成為阻礙治療的一大難題。

??近日，匹茲堡大學醫學院的研究人員結合了合成生物學技術以及機器學習算法，創造出具有血液和膽汁處理系統的人體肝臟類器官。當移植到肝臟衰竭的小鼠體內時，實驗室培育的替代肝臟延長了壽命。

??該研究由匹茲堡大學醫學院病理學系的Mo Ebrahimkhani教授領導，并于12月7日發表在《Cell Systems》，題為“Gene Regulatory Network Analysis and Engineering Directs Development and Vascularization of Multilineage Human Liver Organoids”。

??研究表明，該方法在保證精確度與控制力的情況下，可以觸發并加速實驗室培養器官的成熟。
??該研究的通訊作者Mo Ebrahimkhani教授說：“懷孕要經歷至少9個月，新器官的成熟需要相當長的時間，甚至到出生后幾個月才能成熟，但如果一個人需要肝臟移植，那么可能等不了那么久。我們的研究發現，可以在17天內獲得具有四種主要細胞類型和血管系統的人類肝臟組織，只需3個月就能使組織成熟到妊娠晚期。”
??Ebrahimkhani表示，其他研究小組曾試圖用生長因子誘導類器官在培養皿中成熟，但成本高昂，前后不一致，而且容易出現人為錯誤。通常，會出現不想要的組織或細胞類型，例如腸或腦細胞生長在應為實體肝臟的中間。

??使用基因工程可以排除干擾，但是編配也更加復雜。因此，Ebrahimkhani與約翰·霍普金斯大學的Patrick Cahan博士合作，使用一種機器學習系統，可以逆向工程化人類肝臟成熟所需的基因。

??然后，Ebrahimkhani與合作者Samira Kiani博士一起應用了基因工程技術，包括CRISPR技術，將一大塊原本來自人類干細胞的未成熟肝組織轉化為研究小組所稱的“設計性肝器官”。
??類器官越成熟，毛細血管和未發育的膽管細胞就越能在薄薄的組織中蜿蜒前行，并且這個微小器官的功能就越接近它的全尺寸自然人體模型。而且盡管不是完美的匹配，但能量儲存、脂肪積累、化學轉運、酶活性和蛋白質生成都與成人肝功能更為接近。
??Ebrahimkhani認為設計類器官有三個主要用途：藥物發現、疾病建模和器官移植。由于干細胞可以從患者自身獲取，可以對實驗室培養的器官進行個性化設計，因此不會存在免疫排斥的威脅。
??當將Ebrahimkhani設計的肝臟類器官移植到肝臟受損的小鼠體內后，它們便成功地融入了動物體內并繼續發揮作用，在動物血液中生產出人類蛋白質，從而延長了動物的壽命。
??Ebrahimkhani說：“這項研究是一個原則性證明，證明這是可能的。這項技術可能會更進一步發展。我們參考的是自然的人體肝臟，但你也可以自己進行設計。例如，你可以做一個基因開關來保護組織免受病毒的侵害，瞄準病毒的DNA并摧毀它，這會使這種方法與眾不同。”
??總的來說，該研究提供了一個實驗框架，可通過系統地探測促進組織發育的分子途徑和轉錄網絡來指導體外器官發生。希望該技術能夠不斷優化并成功應用于臨床，惠及廣大患者。