科學家已經可以誘導干細胞形成視網膜，這為很多眼疾患者帶來希望。
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。這個過程依照內在的“生物學藍圖”有條不紊地進行，ELISA試劑盒引導組織產生折疊、皺褶，形成適當的外形和大小。
科學家很熟悉這個由簡單到復雜的進程，他們一直在思索胚胎發育的機制，暗自驚嘆它的奧妙，又渴望在實驗臺上重演早期發育階段——既為了更好地理解其中的生物學機制，也為了將這些信息應用于修復和替代受損組織。這個時刻或許已到來了。解密發育奧妙的工作zui近取得了不少成就，體外培養的替代器官有望在10年內就進入手術室。
我之所以作出如此樂觀的預測，是因為我的實驗室近來在干細胞研究上取得了一些成果。干細胞會分化成其他類型的細胞。我們發現，即使在體外培養的環境下，干細胞也可以分化形成視網膜——眼睛里的關鍵結構之一，它把來自外部世界的光信號，ELISA試劑盒轉換成電信號和化學信號，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越深入，因此在做上述研究時，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行誘導，讓它們形成了一種輪廓分明的三維結構。其實，這些細胞收到我們“輸入”的化學信號后，自己就會行動起來，開始建造視網膜。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
剛開始嘗試“培養”視網膜時，我們實驗室還在探討視網膜形成的一些基本問題。我們知道，視網膜是從胎兒大腦中名為“間腦”（diencephalon）的那一部分發育而來的。在胚胎發育的早期階段，間腦的一部分會擴展，形成氣球狀的視泡（optic vesicle），后者再向內凹陷，形成視杯；視杯進一步形變，zui終成為視網膜。
一個多世紀以來，生物學家一直就視杯形成的機制爭論不休，直到今天，研究大腦發育的科學家仍然各執一詞。其中一個較有爭議的問題是，在視杯形成過程中，與之相鄰的一些結構，如晶狀體和角膜起了什么作用？有些科學家認為，視網膜向內凹陷，是因為受到了晶狀體的物理推動作用；也有科學家認為，視杯無須借助晶狀體的作用，就可以自己形成。
要想在活著的、正在發育中的動物身上觀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育過程“提取”出來。
具體做法是，先在培養皿中培養胚胎干細胞，然后加入眼睛發育所需的化學物質，觀察培養皿中發生的情況。從發育程度上來說，胚胎干細胞是zui原始的干細胞，zui終可以分化成從神經到肌肉的各種組織。
當時，把干細胞培育成器官的技術尚不存在。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。這類組織工程學技術在培植真實器面并不是很成功。
因此，我們決定另辟蹊徑。在正式動手之前，我們做了一些準備工作。2000年，我們發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——這些細胞會向胚胎干細胞傳遞化學信號，促使后者發育、分化，脫離胚胎狀態。我們培養這些細胞的目的，并不是要復制某個人體器官的三維結構，而是想看看，僅用細胞自身的化學信號，是否足以讓胚胎干細胞形成眼睛發育早期所*的神經細胞。
起初，我們沒有獲得多大的成功，但在2005年，我們在技術上取得了突破。以前，我們實驗室在培養干細胞時，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的原因有很多。首先，在懸浮培養中，細胞聚集時，本身就會形成三維結構，因此在產生復雜組織時，會比平鋪的細胞層更容易；其次，為了發育成復雜的結構，細胞之間需要相互交流，而三維培養更適于促進這樣的交流，因為細胞之間可以更加靈活地發生相互作用。
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（每個小孔只有微量的培養基，含大約3 000個胚胎干細胞）。我們發現，原本分開的胚胎干細胞開始聚集在一起。
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前體細胞（neural progenitor）——這類細胞通常存在于大腦前部。然后，這些細胞開始相互發送信號，經過三四天的時間，它們便自發組織成中空的球體，由單層的神經上皮細胞構成（神經上皮細胞即神經干細胞，由前體細胞分化而來）。我們把這種形成單細胞層的方法稱作SFEBq培養法，即“胚狀體樣聚集體的快速再聚集無血清懸浮培養法”（serum-free floating culture of embryoid body-like aggregate with quick reaggregation）。
在胚胎中，神經上皮細胞接收來自細胞外的化學信號，zui終形成特異的大腦組織結構。在這些化學信號中，有一種信號可觸發間腦的發育，形成視網膜和下丘腦（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，我們實驗室開始嘗試，誘導這些細胞分化成視網膜前體細胞——成熟視網膜細胞的前體。我們向SFEBq培養體系中加入了一系列蛋白質。在胚胎中，這些蛋白的作用正是誘導視網膜前體細胞的產生。
當這些細胞球體在懸浮培養基中繼續保存了數天之后，視網膜上皮組織自發地向外突出，形成視泡樣的結構。然后，突起部分的頂端又開始內陷，ELISA試劑盒形成酒杯狀結構，很像胚胎上眼睛的視杯。與活體動物中一樣，這個源自胚胎干細胞的視杯也由內外兩層組成：外壁是上皮層，內壁便是視網膜。
換句話說，在培養皿中，原本分開的干細胞組成的聚集體，獨自形成了有序的結構——真是名副其實的“eyepopping”（這個詞有雙關含義，從字面上理解，就是“眼睛出現”，而這個詞本身的含義是“使人瞠目的”）。不像在胚胎中，培養皿中并沒有晶狀體和角膜。這一發現清楚地回答了那個存在已久的問題：原始視網膜的形成，是否需要晶狀體等鄰近組織施加外部作用力。至少在體外，視網膜的形成是一個基于細胞內部程序的自發現象。
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