中国细胞生物学学会2023年全国联动“实验室开放日”活动掠影
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实验室负责人 |
项鹏 |
政治面貌 |
中国民主同盟 |
实验室 具体名称 |
中山大学干细胞与组织工程教育部重点实验室 |
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活动 日期 |
2023.05.24 |
活动地点 |
中山大学北校园永生楼四楼讲座厅 |
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参观 人数 |
116 |
科普主题/研究方向 |
类器官——如何科学炼丹 |
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参观者 （√） |
√大学生 ¨中学生 ¨小学生 ¨社区居民 ¨其他 |
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实验室志愿者人数 |
8名，其中中共党员人数为 4 名 |
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活 动 新 闻 稿 |
中山大学干细胞与组织工程教育部重点实验室于2023年5月24日举办了一期线上线下相结合的“实验室开放日”活动，本次活动由中国细胞生物学学会和中山大学干细胞与组织工程教育部重点实验室联合主办，旨在向我校医学专业学生展示干细胞与再生医学领域科学研究的奥秘，并用通俗易懂的语言讲解科学研究的主要内容及其社会效益，广泛宣传展示科技工作者风采，拉近理论知识和科研实践的距离。
图1 活动海报和活动入场签到
实验室介绍 中山大学干细胞与组织工程教育部重点实验室成立于2008年，2016年获得教育部建设验收，2021年通过生命科学领域教育部重点实验室五年评估。重点实验室针对威胁我国人民健康的重大难治性疾病，以替代、修复人体各种组织器官损伤或功能障碍为目的，围绕“干细胞多能性与组织器官再生，成体组织干细胞发育起源与稳定维持，干细胞治疗的细胞与分子机制，组织工程关键科学问题与产品开发”四个主要方向开展研究。近三年，实验室承担国家重大研究计划、国家自然科学基金重点项目等省部级以上研究项目90 余项，研究经费超2亿元，在Nature, Nat Commun, Cell Res, J Exp Med, Hepatology等杂志发表SCI收录论文120余篇。获得发明专利21项，新申请专利19项，申请PCT专利6项；获得中华医学奖青年科技奖、广东省自然科学奖、广东省丁颖科技奖等成果奖励；制定《人间充质干细胞》行业标准等多项，开展卫健委备案干细胞临床研究项目3项。
活动回顾 本活动邀请来自中山大学干细胞与组织工程教育部重点实验室的李岱睿博士带来了题为：类器官——如何科学“炼丹”的科普讲座，他以生动形象的比喻，将体外构建类器官的过程比作“炼丹”，向同学们讲解了干细胞在医学领域的转化应用和前沿科研进展。
图2 “类器官——如何科学炼丹”
（一）构建类器官的背景 李岱睿博士以《Science》杂志发布的125个前沿科学问题为出发点，经过分析发现其中关于生命医学和天文物理学领域的问题最为突出，显示出这两个领域目前的重要性和挑战性。接着，他将关注点转向这125个问题中与干细胞和再生医学相关的议题，包括器官再生、延缓衰老以及细胞命运的决定。他指出，虽然这些问题同样难以回答，但它们实际上已经存在一个确定的答案，只是我们目前尚不清楚而已。而胚胎作为生命过程发生的起点，成为我们寻找答案的关键方向。
图3 类器官的背景
对于如何了解胚胎的内部状态这一关键问题，他介绍了“点亮”派和“制造”派这两种探索胚胎的方法论。“点亮”派通过实验和方法去解构胚胎的组成部分，从组织切片到免疫染色、谱系示踪到组织透明化技术，帮助我们一定程度上了解胚胎的内部结构和器官发生过程，以及微观层面的关键基因和信号通路，像是为胚胎发育的研究提供了一张“模糊的图纸”，这是一种自上而下的方法。与之相反，“制造”派则受到合成生物学的启发，通过构建体外模型来验证和理解胚胎和器官的结构与功能。这种自下而上的方法能帮助我们验证所绘制的“图纸”的正确性。在这次讲座中，他重点介绍了“制造”派的相关工作。
图4 “点亮”派和“制造”派：两种探索胚胎的方法论
（二）器官构建的要素 李岱睿博士以生动形象的比喻，将体外构建组织器官的过程比作“炼丹”。他介绍了“炼丹”所需的“原材料”，即不同类型的细胞，包括肿瘤干细胞、成体干细胞、胚胎干细胞和诱导多能干细胞。此外，他通过展示干细胞分化获得感觉神经元和心肌细胞的实例，讨论了三维细胞培养的重要性，并介绍了目前常用的三维细胞培养技术以作为“炼丹”所需的“炉子”和“模具”。最后，他通过“海绵再生”和“蝾螈胚胎中胚层诱导”两个经典实验介绍了“炼丹”所需的“燃料”，即细胞的自组织（self-organization）能力以及和外源诱导信号的添加以作为体外构建类器官的动力。丰富的“原料”、“炉子”、“模具”和“燃料”为类器官（organoids）的构建奠定了坚实的基础。
图5 构建类器官所需的“原料”、“炉子/模具”及“燃料”
（三）类器官的质量评价 对于类器官的质量评价，核心主要是多个维度的“相似程度”，包括形态、结构、细胞组成、分子特征、基本功能、发育路径等多个维度。李岱睿博士接下来通过实例将这些标准放入到具体的研究实例中讲解，介绍了类器官构建的发展历史。最早的类器官构建研究包括利用胚胎干细胞获得具有分层结构的大脑皮层组织以及利用小肠干细胞构建小肠组织的研究。此时对类器官的评价方法还较为简单，包括形态观察、免疫荧光和基本的基因表达分析等。 随着单细胞测序技术的应用，对类器官的评价更加深入。通过单细胞测序分析，科学家能够深层次解析类器官内部的细胞类型、表达谱等信息，并将体外类器官的测序数据与真实组织的测序数据进行比对，以帮助判断其与体内组织的相似程度。 除了单一组织类型的类器官，科学家们也开始尝试构建包含多种组织类型的复合类器官，以更好地模拟机体中组织器官之间的协调相互作用。其中的一些尝试包括肝脏-胰脏复合类器官和神经肌肉接头类器官，以及包含视杯的大脑类器官。李岱睿博士总结，目前类器官的构建正逐步走向复杂化和精细化，为以后的研究提供了更多可能性和应用前景。
图6 复合类器官的构建 （人神经-肌肉接头类器官、含有视杯的人脑类器官）
（四）类器官的应用 接下来，李岱睿博士介绍了类器官主要的应用。首先，类器官可以用于发育模拟研究，通过结合单细胞测序技术，这些体外模型可以帮助鉴定新的细胞亚群和关键基因，以研究胚胎发育和器官形成。其次，类器官可以用于疾病模拟研究，如通过基因编辑、添加外源性致病成分或者经由疾病iPS来模拟各类疾病，从而帮助研究疾病的发生机制。此外，类器官还可用于药物筛选和毒理学测试，在肿瘤研究中实现更为高通量和个体化的治疗方案。最后，类器官还能被用于移植治疗，尽管目前无法构建完整的器官，但类器官的移植已显示出再生修复能力。这些应用使得类器官可能真正具有作为药物的潜力，在未来成为一个个“灵丹妙药”。
（五）类器官的未来 李岱睿博士表示，类器官技术目前仍存在一些需要优化与改进的方面。首先，需要提升其可重复性，以确保整个体系更可靠。虽然三维培养技术相对于传统的贴壁细胞培养在组织结构上具有优势，但其复杂性也带来了重复性问题，因此改善类器官的培养结果一致性是未来的方向之一。其次，精准度也是需要提升的方面，包括分化过程的精准性，即如何保证分化过程与体内一致，和组分的精准化（例如血管化）。此外，类器官技术正在逐步走向复杂化、完整化，为此他列举了2022年的一项重要研究，该研究报道了以色列科学家成功地构建了包含早期大脑和心脏等多种组织类型的人工小鼠胚胎。
（六）一些思考
最后李岱睿博士经由类器官构建技术，引申出一些可能的未来场景，并对生命的本质进行了的思考和探讨。 图7 有关生命医学研究的一些思考
在讲座结束后，同学们热情参与了互动环节，并向李岱睿博士提出了许多问题。他们对干细胞研究的历史、基本理论和应用进行了深入的探讨，展现了浓厚的兴趣和求知欲。
图8 李岱睿博士与现场同学进行深入探讨
活动总结 本实验室的李伟强教授出席并主持了此次活动。他对同学们的热情参与和活跃的互动表示赞赏，并指出这样的科普宣传活动有助于医学生更加深入地了解了干细胞与再生医学领域的前沿知识，激发了他们对医学基础科学研究及临床转化应用的学习热情，对个人发展、医学事业的进步以及社会的发展都有重要的促进作用。
图9 李伟强教授主持活动现场
参与活动承办的研究生们通过此次活动也进一步认识到科普宣传的意义，更感受到了科学研究的魅力。他们表示将继续开展类似的科普宣传活动。
图10 活动合影留恋
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媒体 报道 链接 |
微信公众号报道： （1）2023年全国实验室开放日科普讲座 | “类器官——如何科学炼丹”： https://mp.weixin.qq.com/s/CgCgPbgePZ84vS97z5GSfA
（2）倒计时12小时 | “类器官——如何科学炼丹”等你来： https://mp.weixin.qq.com/s/LGIyr663Mz6MNvakVCWrXw
（3）科普讲座|“类器官——如何科学炼丹”： |
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