培養(yǎng)皿上的人腦

科學(xué)家在實驗室中培育出迷你型的人腦，這種接近于人腦結(jié)構(gòu)的類器官相當于9周時的胎兒大腦，可以模擬人腦的一些主要結(jié)構(gòu)和功能，這一技術(shù)正在向人們展示著巨大的應(yīng)用前景。

南方周末特約撰稿 湯波

干細胞不僅可以分化成不同功能的體細胞，還能在特制的三維支架上發(fā)育成與人類器官結(jié)構(gòu)和功能相似的“類器官”，只是體積要遠遠小于實際的器官，因此也稱為“迷你器官”，這其中研究最為熱門的當屬人類大腦的類器官。2018年年初，這種類器官技術(shù)被英國自然出版集團旗下的《自然方法》（Natrue Methods）雜志評選為2017年生物科學(xué)領(lǐng)域的年度技術(shù)，入選理由則如該雜志社論中指出的一樣，類器官技術(shù)正在向人們展現(xiàn)其巨大的應(yīng)用潛力。

迷你人腦

類器官并非新鮮事物，早在110多年前，就有科學(xué)家嘗試在體外培養(yǎng)活的動物組織和器官。不過直到最近幾年，隨著誘導(dǎo)多能干細胞、3D培養(yǎng)等技術(shù)的發(fā)展，在培養(yǎng)皿上培育出來的腦、腸道、腎臟和視網(wǎng)膜等迷你器官，在結(jié)構(gòu)和功能上越來越接近真實的人類器官，并發(fā)揮真實器官難以實現(xiàn)的作用。

由于小鼠等常規(guī)實驗動物的神經(jīng)系統(tǒng)與人類的存在顯著差異，有些神經(jīng)系統(tǒng)疾病是人類或靈長類特有的，如寨卡病毒引發(fā)的小頭畸形，而科學(xué)家又無法對實際人腦組織和器官進行實驗操作，因此科學(xué)家急需找到替代方案，以更精準地研究人腦結(jié)構(gòu)與功能，神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機制，以及篩選出治療這些神經(jīng)疾病的新藥物及新方法。

5年前，奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所于爾根·克諾布利希（Juergen Knoblich）教授團隊率先利用3D組織培養(yǎng)技術(shù)，將人多能干細胞培育成與人腦結(jié)構(gòu)和功能相似的人腦類器官。研究人員在普通的培養(yǎng)皿中誘導(dǎo)人的胚胎干細胞或誘導(dǎo)多能干細胞形成神經(jīng)外胚層細胞團，接著將神經(jīng)細胞團轉(zhuǎn)移到一種呈半球形隆起的人工基底膠液滴上，以支撐細胞團向更復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)發(fā)育，大約兩周后，再將液滴上新生的腦組織移入一種可以不停旋轉(zhuǎn)的培養(yǎng)裝置中，以便腦組織更好地吸收營養(yǎng)，大約20~30天后，人腦的類器官就能形成，并含有人類大腦區(qū)域相對應(yīng)的各種獨特區(qū)域，如前額皮質(zhì)、枕葉、海馬和視網(wǎng)膜等等，甚至位于大腦皮質(zhì)最內(nèi)層的星狀膠質(zhì)神經(jīng)細胞也能分化出功能正常的神經(jīng)元。

這是科學(xué)家首次在實驗室中培育出最接近人腦結(jié)構(gòu)的類器官，相當于人類胎兒9周時的大小。顯然人腦類器官的復(fù)雜度還無法與實際人腦相比擬，但是已經(jīng)可以模擬人腦的一些主要結(jié)構(gòu)和功能，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

克諾布利希教授團隊還利用一名嚴重小頭畸形患者的皮膚上皮細胞誘導(dǎo)出多能干細胞，采用上述技術(shù)，培育出患者特有的大腦皮質(zhì)類器官。該患者的大腦類器官發(fā)育比其他正常人的類器官要小得多，進一步觀察發(fā)現(xiàn)，患者類器官中的星狀膠質(zhì)神經(jīng)細胞在自身數(shù)量不足時即開始分化出神經(jīng)元，導(dǎo)致神經(jīng)元數(shù)量同樣不足，致使類器官最終變小。研究人員還發(fā)現(xiàn)，該患者攜帶一種基因突變是導(dǎo)致小頭畸形的主要原因，當將這種基因所表達的蛋白質(zhì)添加給患者的大腦類器官時，它竟然能恢復(fù)到正常大小。這項研究顯示，類器官可以作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病致病機理研究和治療藥物篩選的理想工具。

該研究發(fā)表在《自然》雜志上，受到國際同行和各大主流媒體的廣泛關(guān)注。正因為該研究和其他研究者的突出工作，類器官技術(shù)被美國著名科普雜志《科學(xué)家》評為“2013年生命科學(xué)的重大突破”。之后，國際人腦類器官研究進入快速發(fā)展階段。2018年1月3日，《自然方法》雜志將類器官技術(shù)評選為2017年生物科學(xué)領(lǐng)域的年度技術(shù)。

篩選新藥

2018年8月份，克諾布利希教授團隊又在《自然方法》雜志上發(fā)表最新研究成果，他和同事利用基因編輯技術(shù)，將引發(fā)惡性膠質(zhì)瘤的基因突變引入正常人的誘導(dǎo)多能干細胞中，再將該干細胞培育成大腦類器官，這些大腦類器官最終也產(chǎn)生了惡性膠質(zhì)瘤。研究人員還用長出腫瘤的大腦類器官驗證一種正在臨床試驗中治療惡性膠質(zhì)瘤的藥物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該藥物的確能顯著減少腫瘤細胞的數(shù)量，之后用大腦類器官對另外4種功能相似的候選藥物進行驗證，檢測出其中一種也能達到同樣的療效。這項重要的研究表明大腦類器官不僅能模擬人類腦部腫瘤，還能用于新藥篩選。

美國凱斯西儲大學(xué)醫(yī)學(xué)院保羅·特薩爾教授團隊一直致力于利用干細胞技術(shù)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。該團隊利用人體胚胎干細胞、正常人和病人的誘導(dǎo)多能干細胞，在培養(yǎng)皿培育出能模擬人腦皮質(zhì)的球形類器官。與之前的研究不同的是，特薩爾教授團隊培育的人腦類器官，可以通過特殊的藥物處理，不僅能形成神經(jīng)元細胞、星形膠質(zhì)細胞和少突膠質(zhì)祖細胞，還首次誘導(dǎo)分化出能產(chǎn)生髓鞘的少突膠質(zhì)細胞，新生的髓鞘能逐步包裹在神經(jīng)元細胞周圍，與正常大腦的髓鞘功能相當。該研究于7月25日發(fā)表在《自然方法》雜志。

少突膠質(zhì)細胞對大腦健康至關(guān)重要。它們負責產(chǎn)生髓鞘，一種包裹和支持神經(jīng)細胞連接的脂肪物質(zhì)，就像電線周圍的絕緣物一樣。當髓鞘受損時，細胞不能有效地相互溝通，導(dǎo)致麻木，反射喪失，運動不協(xié)調(diào)和疼痛等癥狀。許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病是由髓鞘缺陷引起的，包括多發(fā)性硬化和脊髓損傷等。

該研究團隊將之前評價過的、刺激髓鞘產(chǎn)生的兩種藥物作用于這種類器官，發(fā)現(xiàn)這些藥物能顯著提高少突膠質(zhì)細胞產(chǎn)生和髓鞘形成的速率和程度。研究人員還特意從腦白質(zhì)營養(yǎng)不良綜合征患者身上采集皮膚細胞，誘導(dǎo)產(chǎn)生多能干細胞，再培育出患者的大腦類器官，結(jié)果發(fā)現(xiàn)類器官的腦白質(zhì)營養(yǎng)不良指標與患者癥狀嚴重程度一致，也就是說特薩爾教授團隊培育的大腦類器官具有模擬神經(jīng)系統(tǒng)疾病的潛力。

更多的應(yīng)用

2018年4月16日，美國索爾克生物研究所弗雷德·蓋奇教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在《自然生物技術(shù)》雜志發(fā)表最新研究成果，首次將人腦類器官移植到了小鼠的腦部，類器官成功地融入小鼠的大腦中，生長出只存在于人類大腦皮層特定區(qū)域的神經(jīng)元、神經(jīng)膠質(zhì)細胞以及神經(jīng)干細胞等人腦成分，到第14周時，這些類器官的區(qū)域已布滿血管，可正常輸送養(yǎng)分和氧氣，支撐類器官存活最長達230天以上。更令人驚訝的是，類器官所產(chǎn)生的神經(jīng)元還能與小鼠神經(jīng)元形成突觸，有可能相互交換信息。這是首次將人腦類器官移植到其他哺乳動物大腦中，不僅能正常存活，還能發(fā)育成人類的神經(jīng)組織。這一研究結(jié)果表明人腦類器官將來有望用于腦部神經(jīng)系統(tǒng)修復(fù)。

另據(jù)美國《科學(xué)》雜志6月20日報道，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的遺傳學(xué)家阿里松·穆特里（Alysson Muotri）博士團隊正在培養(yǎng)具有尼安德特人特征的人腦類器官。之前，科學(xué)家已經(jīng)從出土的骨骼化石中殘存的DNA拼湊出尼安德特人基因組DNA序列，與智人的基因組相比，至少有兩百多個編碼蛋白質(zhì)的基因存在顯著差異。穆特里博士更關(guān)注一個叫NOVA1的基因，它在現(xiàn)代人類的早期大腦發(fā)育中起重要作用，并且與自閉癥和精神分裂癥有關(guān)。研究人員首先從一個正常人類的皮膚培育出人誘導(dǎo)多能干細胞，然后通過CRISPR/CAS9技術(shù)，將人類基因組中的NOVA1基因替換成尼安德特人的基因，培育出含有尼安德特人NOVA1基因的大腦類器官。

初步研究結(jié)果顯示，這種尼安德特人大腦類器官呈“爆米花”形狀，而現(xiàn)代人類的類器官呈半球形，而且尼安德特人大腦類器官神經(jīng)元細胞遷移速度比普通人腦類器官的要快。這項研究的成果尚沒有正式發(fā)表，不過這顯示大腦類器官在研究古人類神經(jīng)發(fā)育方面也具有一定應(yīng)用潛力。

值得一提的是，2016年5~6月，《科學(xué)》《細胞》和《自然》三家國際頂級學(xué)術(shù)期刊連續(xù)發(fā)表了三篇關(guān)于利用大腦類器官技術(shù)進行寨卡病毒引發(fā)小頭畸形致病機理研究的重要論文，發(fā)現(xiàn)寨卡病毒快速侵入大腦后，會顯著降低神經(jīng)細胞的增殖能力、生存能力和生長速度，加速其凋亡，并逐步破壞大腦皮質(zhì)層。這些研究掀起了類器官研究病毒致病機理和藥物篩選的研究熱潮。

倫理爭議

與其他新興生物技術(shù)一樣，大腦類器官技術(shù)也存在一些倫理爭議。自2013年大腦類器官培育成功之后，很多媒體和專家提出了類器官的倫理問題，比如說是否需要患者特別同意或授權(quán)研究人員用其干細胞來培育類器官；這些類器官自身會不會有感覺，如痛覺等等。

另一個爭議的焦點在于，是否應(yīng)該允許將人腦的類器官移植到動物體內(nèi)，比如將人腦類器官移植到小鼠體內(nèi)，會不會讓小鼠變得更聰明，從而培育出有人類思維或意識的動物？

倫理學(xué)家還有一種擔心，這些培養(yǎng)皿中的迷你大腦會不會產(chǎn)生某種意識？目前，這種人腦類器官最大的直徑約4毫米，只含有約200萬至300萬個細胞，而成年人的大腦體積約為1,350立方厘米，由8600億個神經(jīng)元和相似數(shù)量的非神經(jīng)元細胞組成，因此大多數(shù)科學(xué)家都認為，這種大腦類器官基本不可能產(chǎn)生什么意識。

不過隨著研究的深入，這種類器官會變得更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、功能更強大，意識也可能隨之而來。例如，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的阿里松·穆特里博士計劃將人腦類器官與某些微型機器人結(jié)合，研究這些類器官能否控制機器人的運動。目前美國國立衛(wèi)生研究院制定了禁止將人類干細胞植入其他動物大腦的指南，但還沒有關(guān)于人腦類器官的規(guī)則?；蛟S不久的將來，各國也將出臺關(guān)于類器官技術(shù)的指南，進一步規(guī)劃相關(guān)研究。

無論如何，人腦類器官已展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，科學(xué)家正在將其逐步完善，并推向應(yīng)用，技術(shù)難題和倫理爭議也就得到很好的解決，屆時培養(yǎng)皿中的“迷你大腦”將發(fā)揮更大的作用。