人類(lèi)大腦類(lèi)器官在小鼠腦內(nèi)茁壯成長(zhǎng)

編譯 李升偉

將人類(lèi)大腦類(lèi)器官移植到小鼠大腦后，類(lèi)器官發(fā)育出了血管并融入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。

在移植到活鼠大腦的人類(lèi)大腦類(lèi)器官內(nèi)，血液流過(guò)新生長(zhǎng)的血管

研究人員在《自然-生物技術(shù)》雜志2018年第4期上提出：小鼠大腦成為人類(lèi)大腦類(lèi)器官的良好生長(zhǎng)地。

大腦類(lèi)器官，也就是所謂的“迷你大腦”，是從干細(xì)胞中生長(zhǎng)出來(lái)的微小大腦細(xì)胞叢，正在被研究人員用來(lái)研究自閉癥和其他神經(jīng)疾病的神經(jīng)基礎(chǔ)。但是，這些類(lèi)器官在培養(yǎng)物中通常只能生長(zhǎng)數(shù)月就會(huì)死去，這大大限制了其作為真實(shí)大腦模型的有用性。新的研究報(bào)告指出，將三維結(jié)構(gòu)的人類(lèi)大腦組織移植入小鼠大腦后，類(lèi)器官持續(xù)發(fā)育，生長(zhǎng)出維持生命的血管和新的神經(jīng)連接。這項(xiàng)研究工作推進(jìn)了應(yīng)用大腦類(lèi)器官來(lái)研究人類(lèi)大腦發(fā)育和疾病等復(fù)雜問(wèn)題，這些問(wèn)題難以用目前技術(shù)進(jìn)行研究?？茖W(xué)家展望，大腦類(lèi)器官移植甚至可能有朝一日為創(chuàng)傷性大腦損傷或中風(fēng)提供治療方案。

類(lèi)器官具有刺激干細(xì)胞發(fā)育成為三維組織模型的能力，使它成為研究人類(lèi)生物學(xué)的強(qiáng)有力工具，但對(duì)類(lèi)器官的研究還在進(jìn)行中。

生命的存在（至少）是三維的。通過(guò)黏附在硬塑料培養(yǎng)皿上的扁平細(xì)胞研究生命的分子和細(xì)胞基礎(chǔ)，可以揭示生物學(xué)的一些奧秘，但也僅此而已。最近，科學(xué)家在他們的工具箱內(nèi)增添了一種靚麗的新工具：模擬體內(nèi)組織的三維多細(xì)胞干細(xì)胞衍生結(jié)構(gòu)或類(lèi)器官。鑒于類(lèi)器官（作為工具）在探索人類(lèi)生物學(xué)和疾病方面的巨大潛能，被《自然-方法》雜志評(píng)為2017年的年度方法。

類(lèi)器官不是全新的工具，而是不斷發(fā)展的工具；對(duì)細(xì)胞和器官碎片的三維培養(yǎng)畢竟是古老的學(xué)科。直到最近，一方面哺乳動(dòng)物發(fā)育和組織穩(wěn)態(tài)的知識(shí)，另一方面是胞外基質(zhì)生物學(xué)的發(fā)展，再結(jié)合干細(xì)胞培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)，使得干細(xì)胞及其衍生物的奇妙自組織特性在人類(lèi)組織的外體模型上成為現(xiàn)實(shí)。類(lèi)器官模型已經(jīng)涵蓋許多器官：大腦、肝臟、腎臟、乳腺、視網(wǎng)膜和胃腸道等。

這些類(lèi)器官的潛在應(yīng)用是多方面的。類(lèi)器官是產(chǎn)前發(fā)育和組織維護(hù)的明顯模型，否則，在人體內(nèi)進(jìn)行相關(guān)研究是非常艱難的過(guò)程。類(lèi)器官也為研究許多生物學(xué)進(jìn)程提供了人體組織的來(lái)源，例如，近期的研究報(bào)道了活的人體（大腦）組織內(nèi)中間神經(jīng)元遷移的首次觀察。類(lèi)器官正在用于建立疾病模型，包括傳染病（如寨卡病毒感染）、單基因疾?。ㄈ缒倚岳w維化）和復(fù)雜疾?。ㄈ绨┌Y）。從更廣義的角度來(lái)看，因?yàn)閱?dòng)干細(xì)胞可以進(jìn)行編輯以攜帶某種遺傳變異，或者可以從許多遺傳背景衍生而來(lái)，這些干細(xì)胞為檢查基因的表型結(jié)果提供了強(qiáng)大模型，甚至可用于研究進(jìn)化問(wèn)題，對(duì)人與猿的組織進(jìn)行比較研究。有文獻(xiàn)報(bào)道和討論了使用衍生于干細(xì)胞的大腦類(lèi)器官來(lái)模擬大腦這種最復(fù)雜器官的前景與挑戰(zhàn)。

作為研究工具，類(lèi)器官最強(qiáng)大的特點(diǎn)之一是：類(lèi)器官可以同其他前沿方法協(xié)同發(fā)揮作用。例如,成像技術(shù)在過(guò)去的10年里已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步, 特別是在它能夠以更快的速度捕捉生物和足夠溫和而不破壞樣本。有文獻(xiàn)討論了成人干細(xì)胞衍生的類(lèi)器官成像（固定或活組織中、小規(guī)?；蚋咄浚┤绾卧黾游覀儗?duì)人類(lèi)生物學(xué)的理解，尤其是癌癥。

類(lèi)器官包含的細(xì)胞類(lèi)型令人印象深刻，例如腎臟類(lèi)器官，已經(jīng)有報(bào)道它們至少有10種真實(shí)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。但是，正如人們對(duì)體外結(jié)構(gòu)所預(yù)期的那樣，類(lèi)器官就細(xì)胞類(lèi)型表現(xiàn)、結(jié)構(gòu)和功能成熟度而言還不是完美的模型，這些模型需要不斷進(jìn)化，需要不斷評(píng)估；任何生物學(xué)解釋需要考慮方法的局限性。顯然，動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)也不能放棄，人類(lèi)胎兒組織的數(shù)據(jù)可以作為基準(zhǔn)，同時(shí)還需要考慮到技術(shù)和生物學(xué)上的變化。

維也納分子生物技術(shù)研究所的分子生物學(xué)家約根·克諾布利希（J ürgen Knoblich）在給《科學(xué)家》雜志的電子郵件中說(shuō)：“盡管類(lèi)器官在人類(lèi)神經(jīng)科學(xué)中是一項(xiàng)巨大進(jìn)步，它們還不是完美的，它們還不能提供血管、免疫細(xì)胞，不能提供與神經(jīng)系統(tǒng)其他區(qū)域的功能連接。這項(xiàng)移植實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是證明類(lèi)器官與其他組織的融合是可能的。”

這項(xiàng)研究的共同作者弗雷德·蓋奇（Fred“Rusty”Gage）是位于加州的索爾克生物學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家，在幾年前開(kāi)始研究這種構(gòu)體時(shí)，他和他的同事就考慮到了大腦類(lèi)器官的健康問(wèn)題。這種三維組織叢中心的許多細(xì)胞會(huì)死去，蓋奇告訴《科學(xué)家》雜志：“那些細(xì)胞得不到存活所必需的血液和營(yíng)養(yǎng)?！?/p>

當(dāng)他考慮這個(gè)問(wèn)題時(shí)，蓋奇回憶起20世紀(jì)七八十年代他在瑞典與哥德堡大學(xué)的烏爾夫·斯蒂尼維（Ulf Stenevi）和隆德大學(xué)的安德斯·比約克隆德（Anders Bjorklund）兩位神經(jīng)科學(xué)家合作的工作：他們將大鼠神經(jīng)組織移植到大鼠腦腔內(nèi)看組織是否能夠生長(zhǎng)，他們得到的答案是肯定的。蓋奇期望每個(gè)人類(lèi)大腦類(lèi)器官能夠順利地放入到小鼠大腦微小的腔洞內(nèi)并得到生長(zhǎng)，事實(shí)證明他是對(duì)的。

蓋奇團(tuán)隊(duì)使用人類(lèi)多潛能干細(xì)胞發(fā)育出大腦類(lèi)器官，大腦類(lèi)器官在培養(yǎng)物中可以生長(zhǎng)40至50天。然后，他們將這些類(lèi)器官插入到小鼠壓后皮質(zhì)內(nèi)挖出的腔內(nèi)，這是運(yùn)動(dòng)和空間學(xué)習(xí)的關(guān)鍵區(qū)域。蓋奇說(shuō)，小鼠具有“人性化 ”的免疫系統(tǒng), 這意味著他們的免疫細(xì)胞被設(shè)計(jì)成不攻擊人體組織。在移植5天后，可以使用一種熒光染料檢測(cè)到類(lèi)器官內(nèi)的血管，到了第14天，人腦組織移植物內(nèi)生成密集的血管網(wǎng)；類(lèi)器官的某些標(biāo)記物（如NeuN+和PSD95）的濃度顯示，人類(lèi)神經(jīng)前體細(xì)胞正發(fā)育成神經(jīng)元和形成突觸，從而使二者互相連接。在移植90天后，科學(xué)家觀察到：小鼠大腦內(nèi)的人腦移植物長(zhǎng)出了軸突。

鈣成像也顯示，類(lèi)腦的神經(jīng)元與培養(yǎng)基中的類(lèi)腦神經(jīng)元不同，后者分散、孤立活動(dòng)，前者相互協(xié)調(diào)，表明活躍的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)育中。此外，光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，類(lèi)腦神經(jīng)元被融入小鼠大腦的突觸回路中。

荷蘭的胡布勒支研究所的分子遺傳學(xué)家漢斯·克里夫斯（Hans Clevers）在寫(xiě)給《科學(xué)家》雜志的一封電子郵件中說(shuō)：“類(lèi)器官功能的最后實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：類(lèi)器官可以融入宿主?！笨死锓蛩共](méi)有參加這項(xiàng)研究，他和其他人一起證明了“相對(duì)簡(jiǎn)單的類(lèi)器官”如腸上皮、肝或胰腺組織的此種功能性。他說(shuō)：“迷你大腦是到目前為止從類(lèi)器官生長(zhǎng)出的最復(fù)雜結(jié)構(gòu)。”蓋奇和他的同事的工作“提供了證據(jù)：表明移植的‘迷你大腦’和小鼠大腦之間密集生長(zhǎng)出血管和神經(jīng)連接?！?/p>

他指出：結(jié)果證實(shí)了他的發(fā)現(xiàn)，即“類(lèi)器官最令人吃驚的現(xiàn)象：類(lèi)器官幾乎不可阻擋地達(dá)到越來(lái)越高的自組織水平?！?/p>

這樣的自組織正是研究人員研究大腦類(lèi)器官的原因。賓州大學(xué)的神經(jīng)外科醫(yī)生艾撒克·陳（Isaac Chen）通過(guò)電子郵件告訴《科學(xué)家》雜志：“大腦的功能不僅來(lái)自個(gè)體神經(jīng)元之間的相互作用，而且來(lái)自特定結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元群的組合活動(dòng)。在細(xì)胞培養(yǎng)物中，這種結(jié)構(gòu)并不存在，因此它有著其固有的局限性，限制能夠進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型和能夠得到的結(jié)論?！蹦Ｊ缴矬w的大腦研究可以探索大腦活動(dòng)如何產(chǎn)生于神經(jīng)元群、不同的神經(jīng)元群如何相互作用。但是，顯著的物種差異限制了將結(jié)果推廣到人類(lèi)大腦。

陳說(shuō)：可移植大腦類(lèi)器官可以使研究人員學(xué)到更多關(guān)于正常人類(lèi)大腦隨時(shí)間發(fā)育的知識(shí)，還可以移植特定疾病病人的類(lèi)器官以構(gòu)建疾病的更準(zhǔn)確模型。可操作的移植方法可以使科學(xué)家研究應(yīng)用大腦類(lèi)器官作為治療方案的優(yōu)點(diǎn)和局限性，即代替由創(chuàng)傷性腦損傷、中風(fēng)和其他神經(jīng)疾病導(dǎo)致的喪失或損傷的組織。