这篇文章是皮特大学的病理学和生物工程副教授Mo Ebrahimkhani为The Conversation撰写的。想要在对话中了解更多关于发布的内容的教师和研究人员可以在这里阅读这个过程。
想象一下，如果研究人员可以对干细胞进行编程，这些干细胞有潜力生长成人体所有类型的细胞，这样它们就可以生成整个人体器官。这将使科学家能够制造用于测试药物的组织，并通过直接从病人的细胞中培育新的器官来减少对移植器官的需求。
我在一个叫做合成生物学的新领域工作，专注于创造新的生物部件和重新设计现有的生物系统。在一篇新论文中，我和同事展示了在实验室培育器官的一个关键挑战上取得的进展——弄清楚产生各种成熟细胞所必需的基因，而这些细胞是构建功能肝脏所必需的。
诱导多能干细胞是干细胞的一个亚群，它能够产生能够在人体内构建完整器官的细胞。但只有当它们在正确的时间从环境中接收到正确数量的生长信号时，它们才能完成这项工作。如果这种情况发生，它们最终会产生不同类型的细胞，这些细胞可以组装并成熟成人体器官和组织。
研究人员从多能干细胞中生成的组织可以为从移植到新药发现的个性化药物提供一个独特的来源。
但不幸的是，由干细胞合成的组织并不总是适合移植或药物测试，因为它们含有来自其他组织的多余细胞，或者缺乏组织成熟度和完整的血管网络，而这些血管网络是输送氧气和滋养器官所必需的营养物质的必要条件。这就是为什么有一个框架来评估这些实验室培养的细胞和组织是否在发挥作用，以及如何使它们更像人类器官，是至关重要的。
受到这个挑战的启发，我决定建立一种合成生物学方法来读写或编程组织发育。我正试图用干细胞的遗传语言来做这件事，类似于大自然用来形成人体器官的语言。
基因设计的组织和器官
我在匹兹堡肝脏研究中心和麦高恩再生医学研究所从事合成生物学和生物工程研究，目标是利用工程方法分析和构建新的生物系统，解决人类健康问题。我的实验室结合了合成生物学和再生医学的新领域，致力于替换、再生或修复患病器官或组织。
我之所以把重点放在培育新的人类肝脏上，是因为肝脏对于控制血液中大多数化学物质(如蛋白质或糖)的水平至关重要。肝脏还能分解有害化学物质，代谢体内的许多药物。但肝脏组织也是脆弱的，可以被许多疾病破坏和破坏，如肝炎或脂肪肝疾病。供体器官的短缺限制了肝移植。
为了制造人造器官和组织，科学家需要能够控制干细胞，使它们能够形成不同类型的细胞，如肝细胞和血管细胞。研究的目标是使这些干细胞成熟为微型器官，或称类器官，包括血管和自然器官中可以找到的正确的成体细胞类型。
一种安排合成组织成熟的方法是确定诱导一组干细胞生长、成熟并进化成一个完整的、有功能的器官所需的基因列表。为了得出这个列表，我与帕特里克·卡汉(Patrick Cahan)和萨米拉·基亚尼(Samira Kiani)合作，首先使用计算分析来确定将一组干细胞转化为成熟功能肝脏的相关基因。然后，我们的团队由我的两个学生——杰里米·贝拉斯克斯和瑞恩·莱格劳——领导，使用基因工程来改变我们已经识别的特定基因，并利用它们来帮助从干细胞中构建和成熟人类肝脏组织。
该组织是由培养皿中的一层基因工程干细胞培育而成。遗传程序和营养物质的作用是在15到17天的过程中协调肝类器官的形成。
盘子里的肝
我和我的同事首先比较了我们在实验室中培养的胎儿肝脏类器官中的活性基因和成人肝脏中的活性基因，通过计算分析得到了驱动胎儿肝脏类器官成熟为成人器官所需的基因列表。
然后，我们使用基因工程来调整基因以及由此产生的蛋白质，这些基因是干细胞进一步向成年肝脏成熟所必需的。在大约17天的时间里，我们生成了微小的——只有几毫米宽——但更成熟的肝组织，其中含有一系列细胞，这些细胞通常在人类妊娠晚期的肝脏中发现。
和成熟的人类肝脏一样，这些合成肝脏能够储存、合成和代谢营养物质。虽然我们实验室培育的肝脏很小，但我们有希望在未来将其放大。虽然它们与成年肝脏有许多相似之处，但它们并不完美，我们的团队仍有工作要做。例如，我们还需要提高肝脏组织对各种药物的代谢能力。我们还需要使它更安全、更有效，以便最终应用于人类。
我们的研究证明了这些实验室肝脏能够在短短两周半内成熟并形成一个功能性的血管网络。我们相信这种方法可以为通过基因编程制造其他血管器官铺平道路。
肝脏类器官提供了成人肝脏的几个关键特征，如产生关键血液蛋白和调节胆汁——一种对食物消化很重要的化学物质。
当我们把实验室培养的肝脏组织移植到患有肝病的老鼠身上时，它延长了老鼠的寿命。我们将我们的类器官命名为“设计类器官”，因为它们是通过基因设计产生的。
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