陳人輔 博士

現任世勛國際生醫股份有限公司創辦人暨科研總監
英國諾丁漢大學生物醫學博士
國立陽明大學口腔生物所碩士

致力於成人及胚胎幹細胞、再生醫學、
幹細胞生長因子、
美容再生醫學等相關領域進行研究與實際應用，
曾於香港擔任亞太幹細胞研發副總及科技新報科學顧問

長期以來，再生醫學領域都期望能利用人類多能性幹細胞生成具備真正器官功能的替代組織，以用於體外臨床研究，使治療模擬過程更加貼近真實組織生理、病理狀態，其中，腎臟一直是最具挑戰性的目標之一，因腎臟並非單純由大量相同細胞組成，而是一個高度空間化的複雜器官，其功能仰賴數百萬個腎元（nephron）的精確排列。每個腎元皆具有明確的近端－遠端軸（proximal-distal axis）：靠近腎絲球的一端負責血液過濾與初步處理，而遠端區域則參與離子調節、水分平衡以及尿液形成。

近十年來，人類誘導性多能幹細胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSCs）衍生腎類器官（kidney organoids）的技術快速發展，已能在培養皿中生成包含腎前體細胞（renal progenitor cells）、腎小管細胞與類腎絲球的立體組織。然而，這些類器官始終未能突破自然發育上的限制，意即雖然它們的外觀像腎臟，實際上卻未按照腎臟應有的組織結構精密排列，因此也不具有腎臟正常功能。

今年一篇重磅研究則回歸胚胎發育的基本原理：器官並非由細胞自行隨機組裝，而是在發育過程中具有強力誘導和指揮能力的細胞群－「胚胎組織者」（embryonic organizer）能藉由分泌不同濃度梯度的生長因子，建立起組織的空間訊號分佈，引導周圍細胞決定位置與分化命運，以完成器官特定的立體形態和功能定位。該研究設計出能分泌Wnt訊號的人工細胞組織者，將原本缺乏方向性的腎類器官重新導向類似胚胎腎臟的發育模式。

過去腎類器官的研究瓶頸：細胞命運雖可誘導，器官構造卻難以重建

腎類器官技術最初的重要突破來自可模擬胚胎腎臟發育路徑。研究發現，只要依序提供特定訊號，如：Wnt、成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor, FGF）及骨塑形蛋白（bone morphogenetic protein, BMP），即可誘導人類多能性幹細胞進入腎臟譜系，生成包含腎絲球與腎小管樣結構的腎類器官，該成果被視為人工腎組織工程的重要里程碑。然而，這類方法主要解決的是細胞身份（cell identity）－即細胞命運問題，而非空間組織（spatial organization）；換言之，雖可透過此方式讓細胞分化成腎細胞，但無法完全控制這些細胞應該位於哪裡、如何排列，以及如何形成具備生理功能的腎臟構造。

器官形成有賴「訊號地圖」，而非單一刺激

過去對器官形成的研究學說，多半集中於某些主要分子是否存在，如：Wnt、Notch、BMP、或FGF是否被活化。因此，早期幹細胞分化技術主要倚賴培養液中化學因子的操控，如：提高Wnt活性可以促進中胚層形成，加入FGF可以維持腎前體，但這種方法本質上為假設所有細胞會接受相同刺激。然而，真正胚胎期的細胞其實並非存活於均勻環境，而是具有訊號強度差異的立體空間中，近年的發育生物學研究亦指出，真正左右細胞命運的關鍵不光是必須具備特定的訊號分子種類，更重要的是這些訊號在組織空間中的分布方式。

胚胎發育的細胞組織者通常會分泌特定的生長因子，在一定範圍內形成局部濃度梯度（morphogen gradient），細胞則依照距離該訊號的遠近，接收到不同強度的刺激，因此發生不同的分化命運。如：高濃度 Wnt 可能誘導細胞分化為遠端腎小管，而較低濃度或缺乏 Wnt 訊號的區域則維持近端腎元特徵。因此，過去以人工發育腎類器官所面臨的挑戰，可能不在於如何控制生長因子的開關，而是缺乏具有方向性的發育引導。

利用合成可分泌 Wnt 的組織者重建腎臟發育方向

今年所發表的這份最新研究發現，腎元近端－遠端極性的建立，與集尿管（collecting duct）附近的Wnt訊號邊界有密切關聯。其中，WNT11與WNT9B 所形成的訊號區域，可能是調控腎元方向性的關鍵。基於這項發現，該研究團隊利用合成生物學技術製造人工組織者細胞。這些工程化細胞能持續分泌Wnt訊號，模擬胚胎發育中自然存在的訊號中心。

研究團隊進一步將這些Wnt分泌組織者與腎類器官共同培養，爾後可觀察到類器官的腎元不再隨機形成，而開始朝向訊號來源排列。更重要的是，若調整Wnt訊號的強度，控制腎元中近端與遠端區域比例，能使其形成更接近天然腎臟的連續性空間組織形式。

過去腎類器官研究的價值集中於三個方向：疾病模式、藥物篩選以及研究人類腎臟發育；例如，利用患者來源的誘導性多能幹細胞建立疾病特異性腎類器官，可用於研究多囊性腎臟病、遺傳性腎臟病或藥物腎毒性。但若目標是放在未來能製造可移植人工腎組織，那麼單純生成出腎細胞則遠遠不足，因人體腎臟需要高度規律化的結構，以完成一連串生理作用，包括：腎絲球負責血液過濾，近端小管負責大量物質再吸收，亨耳氏套與遠端小管負責水分與電解質調節，集尿管負責尿液集中與輸送。如果這些結構缺乏方向性排列，即使細胞類型正確，也難以形成完整功能。

因此，此研究首次證明，器官或類器官的缺陷不一定需要透過加入更多取代細胞或更多培養條件改善，而是可透過重新建立發育規則來修正。對於未來人工器官的研究重點，可能不再是把細胞堆疊成器官，而是提供正確的發育訊號梯度，使細胞自行完成器官建構。

人工組織者與臨床人工腎臟之間的距離

該研究最大的概念轉變，是將長期以來發育訊號作為培養條件的思維轉為空間中的梯度控制邏輯。這與合成生物學近年的發展方向高度一致，過去合成生物學主要改造單一細胞功能，如：製造蛋白質或代謝物，如今則逐漸進入多細胞組織系統階段，嘗試建立人工可控制的組織或器官模式。

只是儘管這項研究具有突破性，距離臨床應用仍存在多項挑戰。首先，目前腎類器官的製造操控技術仍未完全成熟，即使改善空間排列，其細胞成熟程度仍與成人腎臟存在差距；其次，真正可移植腎組織需要完整血管系統、免疫相容性以及長期功能維持能力，目前人工組織者主要解決的是排列與正確構型形成，尚未解決器官血管化與神經調控問題；再者，Wnt訊號本身具有高度複雜性，過度活化Wnt可能與腫瘤形成有關，因此未來若應用於臨床，應要更為精確控制訊號時間、強度與停止機制。

但上述不足之處仍無礙此研究啟發一個廣泛的再生醫學概念，即人工器官製造的關鍵可能不是找到最佳細胞，而是模擬器官形成的順序與脈絡。未來類似操作方式可能會被應用於其他複雜器官，如：胰臟、肝臟、心臟甚至神經組織，若可設計不同類型的人工組織者，提供類似胚胎發育期的空間訊號，類器官便可能從目前的病理研究工具，進一步轉變為可工程化的生物製造平台。