科学家已经可以诱导干细胞形成视网膜，这为很多眼疾患者带来希望。

    在子宫里，一团相同的细胞分化成各种不同的模样，zui终形成高度有序的结构，组装成人体的全副器官。这个过程依照内在的“生物学蓝图”有条不紊地进行，ELISA试剂盒引导组织产生折叠、皱褶，形成适当的外形和大小。

    科学家很熟悉这个由简单到复杂的进程，他们一直在思索胚胎发育的机制，暗自惊叹它的奥妙，又渴望在实验台上重演早期发育阶段——既为了更好地理解其中的生物学机制，也为了将这些信息应用于修复和替代受损组织。这个时刻或许已到来了。解密发育奥妙的工作zui近取得了不少成就，体外培养的替代器官有望在10年内就进入手术室。

    我之所以作出如此乐观的预测，是因为我的实验室近来在干细胞研究上取得了一些成果。干细胞会分化成其他类型的细胞。我们发现，即使在体外培养的环境下，干细胞也可以分化形成视网膜——眼睛里的关键结构之一，它把来自外部世界的光信号，ELISA试剂盒转换成电信号和化学信号，继而传递给大脑的其他部位。此外，我和同事还培植出了皮层组织，以及垂体的一部分。由于我们对人体信号传导系统的认识越来越深入，因此在做上述研究时，我们根据自己掌握的知识，对培养皿中的一层相互分离的细胞进行诱导，让它们形成了一种轮廓分明的三维结构。其实，这些细胞收到我们“输入”的化学信号后，自己就会行动起来，开始建造视网膜。这一研究成果让很多人看到了希望：用这种方法制备的视网膜组织有望用于治疗黄斑变性等多种眼疾。

培养皿中的奇迹

    刚开始尝试“培养”视网膜时，我们实验室还在探讨视网膜形成的一些基本问题。我们知道，视网膜是从胎儿大脑中名为“间脑”（diencephalon）的那一部分发育而来的。在胚胎发育的早期阶段，间脑的一部分会扩展，形成气球状的视泡（optic vesicle），后者再向内凹陷，形成视杯；视杯进一步形变，zui终成为视网膜。

    一个多世纪以来，生物学家一直就视杯形成的机制争论不休，直到今天，研究大脑发育的科学家仍然各执一词。其中一个较有争议的问题是，在视杯形成过程中，与之相邻的一些结构，如晶状体和角膜起了什么作用？有些科学家认为，视网膜向内凹陷，是因为受到了晶状体的物理推动作用；也有科学家认为，视杯无须借助晶状体的作用，就可以自己形成。

    要想在活着的、正在发育中的动物身上观察这一现象绝非易事，因此大约在10年前，我的研究团队决定做一次尝试，看能不能把眼睛的发育过程“提取”出来。

    具体做法是，先在培养皿中培养胚胎干细胞，然后加入眼睛发育所需的化学物质，观察培养皿中发生的情况。从发育程度上来说，胚胎干细胞是zui原始的干细胞，zui终可以分化成从神经到肌肉的各种组织。

    当时，把干细胞培育成器官的技术尚不存在。人们曾把相互分离的干细胞“撒”在膀胱或食管形状的人工骨架上，试图搭建出新的器官。这类组织工程学技术在培植真实器面并不是很成功。

    因此，我们决定另辟蹊径。在正式动手之前，我们做了一些准备工作。2000年，我们发明了一种细胞培养方法，可以把小鼠的胚胎干细胞转变成多种神经细胞。随后，我们在培养皿中培养了一层小鼠胚胎干细胞，并加入一些可充当“传递员”的细胞——这些细胞会向胚胎干细胞传递化学信号，促使后者发育、分化，脱离胚胎状态。我们培养这些细胞的目的，并不是要复制某个人体器官的三维结构，而是想看看，仅用细胞自身的化学信号，是否足以让胚胎干细胞形成眼睛发育早期所*的神经细胞。

    起初，我们没有获得多大的成功，但在2005年，我们在技术上取得了突破。以前，我们实验室在培养干细胞时，细胞只能平铺在培养皿上，但在2005年，我们突破了“二维限制”，可以让干细胞悬浮在培养液中，这就是“悬浮培养”。我们采用这种三维培养技术的原因有很多。首先，在悬浮培养中，细胞聚集时，本身就会形成三维结构，因此在产生复杂组织时，会比平铺的细胞层更容易；其次，为了发育成复杂的结构，细胞之间需要相互交流，而三维培养更适于促进这样的交流，因为细胞之间可以更加灵活地发生相互作用。

    使用这种新方法，我们把相互分离的胚胎干细胞悬浮在液体培养基中，然后注入多孔培养皿的小孔中（每个小孔只有微量的培养基，含大约3 000个胚胎干细胞）。我们发现，原本分开的胚胎干细胞开始聚集在一起。

    随后，就可以诱导这些微小的细胞聚集体，让它们全部分化为一种神经前体细胞（neural progenitor）——这类细胞通常存在于大脑前部。然后，这些细胞开始相互发送信号，经过三四天的时间，它们便自发组织成中空的球体，由单层的神经上皮细胞构成（神经上皮细胞即神经干细胞，由前体细胞分化而来）。我们把这种形成单细胞层的方法称作SFEBq培养法，即“胚状体样聚集体的快速再聚集无血清悬浮培养法”（serum-free floating culture of embryoid body-like aggregate with quick reaggregation）。

    在胚胎中，神经上皮细胞接收来自细胞外的化学信号，zui终形成特异的大脑组织结构。在这些化学信号中，有一种信号可触发间脑的发育，形成视网膜和下丘脑（hypothalamus，控制食欲和其他许多基本生理功能的脑区）。成功地使胚胎干细胞形成球体之后，我们实验室开始尝试，诱导这些细胞分化成视网膜前体细胞——成熟视网膜细胞的前体。我们向SFEBq培养体系中加入了一系列蛋白质。在胚胎中，这些蛋白的作用正是诱导视网膜前体细胞的产生。

    当这些细胞球体在悬浮培养基中继续保存了数天之后，视网膜上皮组织自发地向外突出，形成视泡样的结构。然后，突起部分的顶端又开始内陷，ELISA试剂盒形成酒杯状结构，很像胚胎上眼睛的视杯。与活体动物中一样，这个源自胚胎干细胞的视杯也由内外两层组成：外壁是上皮层，内壁便是视网膜。

    换句话说，在培养皿中，原本分开的干细胞组成的聚集体，独自形成了有序的结构——真是名副其实的“eyepopping”（这个词有双关含义，从字面上理解，就是“眼睛出现”，而这个词本身的含义是“使人瞠目的”）。不像在胚胎中，培养皿中并没有晶状体和角膜。这一发现清楚地回答了那个存在已久的问题：原始视网膜的形成，是否需要晶状体等邻近组织施加外部作用力。至少在体外，视网膜的形成是一个基于细胞内部程序的自发现象。