把不可能變成可能：制造一個(gè)迷你大腦

南方周末特約撰稿　陳彬

科學(xué)家用干細(xì)胞培養(yǎng)出三種像小球一樣的類器官，分別是大腦皮層、脊髓、骨骼肌，并將三者組裝在一起。

塞爾吉烏·帕斯卡。

培養(yǎng)皿經(jīng)過特殊的處理，為培養(yǎng)三維的類器官提供了絕佳的條件。

★通過把在實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)出來的迷你版組織和器官組裝到一起，美國科學(xué)家有史以來第一次構(gòu)建出了一個(gè)能夠控制自主運(yùn)動(dòng)的人的三維神經(jīng)回路，這相當(dāng)于在實(shí)驗(yàn)室里制造一個(gè)迷你大腦。

你感到有些餓了，看到桌上有一塊巧克力，因此伸手把它拿過來，掰下一些放到嘴里。這個(gè)過程看似簡單，其實(shí)卻相當(dāng)復(fù)雜：首先，你的視覺系統(tǒng)需要采集巧克力的視覺信號；在經(jīng)過一些預(yù)處理后，這些信號會被傳入你的大腦；在那里，大腦會把這些信號和其他信號進(jìn)行整合計(jì)算，最終作出“吃掉它”的決定；最后，大腦中控制運(yùn)動(dòng)的區(qū)域（運(yùn)動(dòng)皮層）會發(fā)出指令，這些指令通過脊髓被傳到控制相關(guān)肌肉的神經(jīng)元，由這些神經(jīng)元來控制肌肉的松弛和收縮，使你伸出手。

這其中任何一環(huán)如果出了問題，這個(gè)過程都可能無法完成。以最后一個(gè)環(huán)節(jié)為例，如果從運(yùn)動(dòng)皮

層到肌肉的這條神經(jīng)信號傳遞通路（被稱為神經(jīng)回路）出了問題，那么人的自主運(yùn)動(dòng)能力就會受到影響。事實(shí)上，很多疾病都可能影響這個(gè)神經(jīng)回路。為了搞清楚這些疾病的致病機(jī)理并尋找治療方法，科學(xué)家一直都在試圖以更貼近人體的狀態(tài)來研究這些神經(jīng)回路。

美國科學(xué)家最近在世界頂級生命科學(xué)期刊《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，通過把一些迷你版的組織和器官組裝到一起，他們有史以來第一次構(gòu)建出了一個(gè)控制自主運(yùn)動(dòng)的人的三維神經(jīng)回路。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的是斯坦福大學(xué)年僅38歲的干細(xì)胞生物學(xué)家塞爾吉烏·帕斯卡（Ser-giu Pa?ca），在過去的幾年間，這名學(xué)界超新星的實(shí)驗(yàn)室不斷構(gòu)建出各種用于疾病研究的三維結(jié)構(gòu)，為相關(guān)疾病的研究提供了有力的工具。他，是組裝器官的人。

擺脫倫理的枷鎖

在動(dòng)物中，無論是低等的線蟲、果蠅，還是高等的黑猩猩和人，都有一類被稱為干細(xì)胞的細(xì)胞。這些細(xì)胞的一個(gè)主要功能是為機(jī)體提供源源不斷的特化細(xì)胞：干細(xì)胞不斷分裂，產(chǎn)生的一部分子代細(xì)胞會轉(zhuǎn)變成各種特化的細(xì)胞（這個(gè)過程被稱為分化），肌肉細(xì)胞、肝臟細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞，無不如此。但干細(xì)胞的“能力”也有高有低，有的是“全才”（全能干細(xì)胞），能分化成所有類型的細(xì)胞；有的“多才多藝”（多能干細(xì)胞），能分化成很多類型的細(xì)胞（實(shí)際上，最“多才多藝”的那些可以分化成幾乎所有類型的細(xì)胞）；還有的則很“專一”（單能干細(xì)胞），只能分化成一類細(xì)胞。干細(xì)胞的這些特點(diǎn)使它們成為發(fā)育生物學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)家的有力研究工具。

在一個(gè)群體中，“全才”往往是很稀少的，干細(xì)胞也不例外，只有胚胎發(fā)育非常早的時(shí)期的細(xì)胞才有全能性：受精卵分裂到32個(gè)細(xì)胞之前，所有的細(xì)胞都是全能干細(xì)胞，在這之后細(xì)胞就喪失了全能性。因此，在很長的一段時(shí)間里，研究者都使用“多才多藝”程度很高的人類胚胎干細(xì)胞作為研究工具。但這些細(xì)胞取自早期胚胎，因此引發(fā)了醫(yī)學(xué)倫理方面的爭議，嚴(yán)重束縛了相關(guān)研究領(lǐng)域的發(fā)展。

2006年，通過向小鼠的體細(xì)胞中引入4個(gè)基因，日本科學(xué)家山中伸彌成功把這些細(xì)胞誘導(dǎo)成了一類具有胚胎干細(xì)胞特征的細(xì)胞，他把這些細(xì)胞稱為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。醫(yī)學(xué)倫理的枷鎖自此被解開，發(fā)育生物學(xué)、干細(xì)胞治療等研究領(lǐng)域隨后頻頻出現(xiàn)重大突破，山中伸彌也因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)獲得了2012年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

培養(yǎng)皿中的器官

要探尋各種人類疾病的致病機(jī)理和治療方法，最理想的方式當(dāng)然是在活體的人身上進(jìn)行相關(guān)的研究，但無論是出于科學(xué)倫理的原因還是人的高度復(fù)雜性，這樣的研究很多時(shí)候都難于開展。即使是在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上，有的問題也顯得過于復(fù)雜，因此研究者常常會把問題簡單化，以便從紛繁復(fù)雜的現(xiàn)象中厘清思路，尋找線索。

有了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞這個(gè)強(qiáng)大工具，在過去十多年間，出現(xiàn)了一個(gè)新興的領(lǐng)域：利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，研究人員培養(yǎng)出了一個(gè)個(gè)尺度只有幾毫米的迷你三維器官（被稱為類器官），并用這些迷你器官來研究組織和器官的發(fā)育過程、相關(guān)疾病的致病原因以及可能的治療方法。（誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)發(fā)明前有一些利用其他干細(xì)胞的類器官研究，但誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)發(fā)明后這個(gè)領(lǐng)域才迎來了爆發(fā)。）

生物體要發(fā)育出正常的器官，細(xì)胞之間必須不斷交流，只有在周圍環(huán)境提供的信息的引導(dǎo)下，相應(yīng)的細(xì)胞才能一步一步組織成器官。用干細(xì)胞培養(yǎng)類器官模擬的正是這個(gè)發(fā)育過程：在正確的時(shí)間、正確的地點(diǎn)，為細(xì)胞提供正確的信號，使它們一步步地分化，并組織成類似器官的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過十多年的努力，科研人員已經(jīng)成功培育出了超過十種人類的類器官，這其中既有相對簡單的唾液腺的類器官，也有更為復(fù)雜的肝、肺、腎、腸、腦的類器官。

與在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細(xì)胞相比，這些類器官顯然更貼合人體中的情況，因此能夠?yàn)橄嚓P(guān)的研究提供更多的有效信息。以過去一年間橫掃全球的新冠疫情為例，科學(xué)家已經(jīng)用人的血管、腎、肺、腸的類器官對病毒感染人的機(jī)制進(jìn)行了研究，并取得了一些進(jìn)展。

用“小球”制造脊髓

在發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的這項(xiàng)新研究中，帕斯卡團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家首先用人的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞培養(yǎng)出了三種類器官，分別是大腦皮層、脊髓、骨骼肌的類器官。

雖然培養(yǎng)類器官的策略用“為細(xì)胞提供正確的信號”這樣簡單的一句話就能概括，但操作起來其實(shí)并不容易，研究人員只能在此前研究的基礎(chǔ)上摸索究竟什么樣的信號是正確的信號。以這項(xiàng)研究中培養(yǎng)脊髓類器官的過程為例，研究人員首先會把誘導(dǎo)多能干細(xì)胞轉(zhuǎn)移到一種比較特殊的培養(yǎng)皿中。在常規(guī)的培養(yǎng)皿中，這些細(xì)胞能夠緊緊地貼壁。而在這種特殊的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿經(jīng)過特殊的處理，因此細(xì)胞的貼壁能力非常有限。這為培養(yǎng)三維的類器官提供了絕佳的條件：如果細(xì)胞貼壁太緊，那么這些細(xì)胞將只能聚集成一層二維的細(xì)胞“薄片”，有限的貼壁則使細(xì)胞可以聚集成三維的“小球”，如果條件適當(dāng)，就能被培養(yǎng)成三維的類器官。

但聚集成一個(gè)個(gè)“小球”只是第一步，難度更大的是摸索出究竟要為這些干細(xì)胞“小球”提供什么樣的信號，它們才能轉(zhuǎn)變成迷你脊髓。在解剖結(jié)構(gòu)上，高等動(dòng)物往往都不是完全對稱的，人也不例外，比如我們腹側(cè)和背側(cè)的結(jié)構(gòu)和功能就都存在差異。這些差異是發(fā)育過程中一些關(guān)鍵的信號分子在身體不同區(qū)域的濃度差異導(dǎo)致的。比如，有的分子在應(yīng)該發(fā)育成背側(cè)的區(qū)域的濃度可能會比較高，而在應(yīng)該發(fā)育成腹側(cè)的區(qū)域的濃度比較低。通過讀取這種濃度信號的“指令”，不同區(qū)域的細(xì)胞就會分化、發(fā)育成相應(yīng)的組織和器官。但要決定這些發(fā)育模式，往往不是一種分子的濃度說了算的，而是由好幾種分子的濃度搭配組合來決定的。這并不令人意外，畢竟動(dòng)物不僅有背腹差異，還有頭尾差異，而且不同區(qū)域開始發(fā)育的時(shí)間也有所不同，這些都需要有信號來引導(dǎo)細(xì)胞。

這種復(fù)雜性大大增加了摸索出合適信號的難度，帕斯卡實(shí)驗(yàn)室的研究人員不得不使用一種“笨辦法”?；诖饲暗难芯拷Y(jié)果，這些科學(xué)家選擇了3種分子，每種分子分別選用了2-3種濃度，然后把3種分子混合到一起（每種分子選用一個(gè)備選濃度），作為發(fā)育的指令提供給這些干細(xì)胞“小球”。使用這種排列組合的摸索方式，研究人員逐一嘗試了12種方案，并分析了干細(xì)胞“小球”在這些信號的引導(dǎo)下的發(fā)育情況。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其中一種濃度搭配的引導(dǎo)下，干細(xì)胞“小球”能夠發(fā)育成具有脊髓特征的類器官，這也是研究人員第一次制造出人脊髓的類器官。

由于科學(xué)家此前就已經(jīng)摸索出了制造大腦皮層類器官和肌肉類器官的方法，因此借助這些方法，帕斯卡實(shí)驗(yàn)室的研究人員手中就有了整個(gè)自主運(yùn)動(dòng)神經(jīng)回路的所有3種元件，而且這些類器官都非常穩(wěn)定，可以存活數(shù)月之久。問題的關(guān)鍵現(xiàn)在轉(zhuǎn)變成了如何把它們組裝到一起。

組裝器官

你也許會覺得要把這3種類器官組裝到一起，難度會非常大。但帕斯卡實(shí)驗(yàn)室的研究人員卻發(fā)現(xiàn)，在恰當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)條件下，這些類器官都很善于“交際”，只需要為它們提供一點(diǎn)點(diǎn)便利，它們就能組裝到一起：把這些類器官貼在一起培養(yǎng)！　使用這種方法，首先把兩種類器官組裝到一起，然后再把第三種類器官組裝上去，就能組裝出這個(gè)控制自主運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)回路。帕斯卡把這種不同類器官組裝到一起的結(jié)構(gòu)稱為組裝體（assembloid）。

當(dāng)然，這只是一種事后諸葛亮的說法，畢竟，既然已經(jīng)把它們貼在一起培養(yǎng)了，那么無論不同的類器官的細(xì)胞是否建立起了聯(lián)系，從宏觀上看，兩種情況看起來可能也沒有什么區(qū)別。為了檢驗(yàn)不同類器官的細(xì)胞間是否建立起了聯(lián)系，研究人員從不同的角度出發(fā)，使用了很多手段。

以把大腦皮層類器官和脊髓類器官組裝到一起的大腦皮層–脊髓組裝體為例。一方面，研究人員用一種能夠發(fā)光的蛋白把大腦皮層類器官中的神經(jīng)元標(biāo)記起來，他們隨后觀察到，這些發(fā)光的神經(jīng)元會向脊髓類器官中慢慢伸出“手”，并且把“手”伸到脊髓類器官中的神經(jīng)元附近。另一方面，這些科學(xué)家還用了一種類似于“爬樹”的方法來驗(yàn)證兩個(gè)類器官的神經(jīng)元是否真的建立起了聯(lián)系，而負(fù)責(zé)“爬樹”的是一種在很多人眼中印象很不好的東西：狂犬病病毒。此前的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，如果兩個(gè)神經(jīng)元之間存在神經(jīng)連接，那么當(dāng)狂犬病病毒感染了下游的那一個(gè)神經(jīng)元后，病毒會從這個(gè)神經(jīng)元跨越到上游的那個(gè)神經(jīng)元，然后像爬樹一樣沿著上游神經(jīng)元的纖維，移動(dòng)到神經(jīng)元的細(xì)胞體中（因?yàn)椴《拘枰谀抢飶?fù)制增殖）。帕斯卡實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在用狂犬病病毒感染大腦皮層–脊髓組裝體中脊髓的神經(jīng)元后，這些病毒確實(shí)能夠“爬”到大腦皮層類器官的神經(jīng)元中。

當(dāng)然，最有說服力的證據(jù)還是觀察刺激大腦皮層類器官中的神經(jīng)元是否會引起脊髓類器官中神經(jīng)元的反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，確實(shí)可以。更令人興奮的是，在把3種類器官組裝到一起后，這種大腦皮層–脊髓–肌肉的組裝體不僅可以存活超過十周以上，而且當(dāng)刺激大腦皮層類器官中的神經(jīng)元時(shí)，就能使肌肉類器官出現(xiàn)劇烈的收縮！　這表明組裝到一起的3種類器官徹底連通了整個(gè)控制自主運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)回路！

毫無疑問，利用這種組裝器官的方法，研究人員可以在更接近人體的狀態(tài)下研究發(fā)育過程以及各類疾病。在帕斯卡和同事看來，這種方法在未來將會有無可限量的應(yīng)用前景。實(shí)際上，通過把中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域的類器官組裝成組裝體，科學(xué)家可以研究各種神經(jīng)回路中神經(jīng)信號的傳入、整合處理、傳出等各個(gè)過程，以及因?yàn)檫@些過程異常導(dǎo)致的各類疾病。

這并不是塞爾吉烏·帕斯卡第一次用類器官組裝出組裝體。實(shí)際上，是他的實(shí)驗(yàn)室在2017年把人腦兩個(gè)不同區(qū)域的類器官組裝到一起，制造出了世界上第一個(gè)由兩個(gè)類器官元件組成的組裝體。在過去幾年間，他的實(shí)驗(yàn)室不斷取得突破，不僅組裝出了各種類型的組裝體，而且一直在使用病人的細(xì)胞制造組裝體，探索神經(jīng)系統(tǒng)疾病的致病機(jī)理以及可能的治療方法。