科學(xué)家利用干細(xì)胞培育大腦類器官

孝 文

（摘自新浪科技）

據(jù)美國有線電視新聞網(wǎng)（CNN）報(bào)道，借助于干細(xì)胞，科學(xué)家已經(jīng)成功培育出跳動(dòng)的心臟組織、氣管和膀胱。現(xiàn)在，奧地利科學(xué)家又在培育人體器官的道路上向前邁進(jìn)了重要一步——利用干細(xì)胞這種可編程細(xì)胞培育出迷你大腦。確切地說，他們培育的是“大腦類器官”。這種只有豌豆大小的類器官構(gòu)成了人類大腦組織。借助于類器官，科學(xué)家能夠解答與大腦發(fā)育以及最初發(fā)育階段出現(xiàn)的紊亂有關(guān)的一系列重大疑問。

研究論文主執(zhí)筆人、奧地利科學(xué)院尤爾根-科諾布里奇表示，利用干細(xì)胞培育的迷你大腦并不是功能正常的大腦，就像是一輛發(fā)動(dòng)機(jī)放在車頂或者車輪放在引擎罩上的汽車，無法駕駛。不過，這仍舊是一項(xiàng)重大科研成就。

科學(xué)家將他們培育的人造器官稱之為“大腦類器官”。這些只有豌豆大小的器官構(gòu)成了人類大腦組織。通過對(duì)大腦類器官進(jìn)行研究，科學(xué)家能夠解答與大腦發(fā)育以及最初發(fā)育階段出現(xiàn)的紊亂有關(guān)的一系列重大疑問。研究發(fā)現(xiàn)刊登在《自然》雜志上。

研究論文主執(zhí)筆人、奧地利科學(xué)家、分析生物科技研究所研究員瑪?shù)蔓惸?蘭卡斯特在27日舉行的新聞發(fā)布會(huì)上指出，這些類器官的構(gòu)成與一個(gè)9周或者10周大的胚胎的大腦類似。研究中，蘭卡斯特和同事共培育了數(shù)百個(gè)類器官。在發(fā)育初期，人類大腦的一些主要區(qū)域以及類似中腦和后腦等區(qū)域已經(jīng)擁有可辨認(rèn)的特征，包括背側(cè)皮層、腹側(cè)前腦以及產(chǎn)生腦脊髓液的脈絡(luò)叢。蘭卡斯特和同事指出他們?cè)谒嘤拿阅愦竽X的同樣區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了這些特征。

不過，這些區(qū)域無法像一個(gè)正常大腦一樣被自然而然地“植入”干細(xì)胞模型。蘭卡斯特說：“在正在發(fā)育的胚胎中，你會(huì)看到這些不同區(qū)域并非以同樣的方式組織?！鳖惼鞴偃鄙?周大人類胚胎大腦的一些確定特征，例如與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的小腦。此外，在這種類似大腦的結(jié)構(gòu)中，科學(xué)家也極少發(fā)現(xiàn)對(duì)記憶至關(guān)重要的海馬狀突起。

研究人員利用人類胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞進(jìn)行這種研究。這兩種干細(xì)胞都有能力發(fā)育成身體的任何部位。不過，使用胚胎干細(xì)胞進(jìn)行研究引發(fā)巨大爭(zhēng)議，原因在獲取干細(xì)胞的方式。從4天或5天大的胚胎上提取干細(xì)胞后，胚胎便被毀掉。使用誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞則沒有這種爭(zhēng)議，因?yàn)榭茖W(xué)家通常利用皮膚細(xì)胞進(jìn)行培育，采用一種“化學(xué)浴”將其轉(zhuǎn)化成類似一個(gè)發(fā)育中胚胎的狀態(tài)。

科諾布里奇指出利用胚胎干細(xì)胞和誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞培育的類器官并沒有明顯差異。研究人員發(fā)現(xiàn)他們培育的類器官具有可變性，一些他們希望研究的大腦區(qū)域并未在類器官中出現(xiàn)。蘭卡斯特通過使用生長因子（刺激細(xì)胞增殖的物質(zhì)）的方式引導(dǎo)一些類器官內(nèi)的區(qū)域發(fā)育。在嘗試讓迷你大腦生長出更多背側(cè)皮層時(shí)，她吃驚地發(fā)現(xiàn)人為干預(yù)下生長出的背側(cè)皮層數(shù)量不及自然發(fā)育。蘭卡斯特說：“我們認(rèn)為不同區(qū)域之間的‘交流’——類器官不同大腦區(qū)域之間的通訊——對(duì)每一個(gè)個(gè)體區(qū)域的發(fā)育都至關(guān)重要。”

研究人員利用類器官這個(gè)模型對(duì)神經(jīng)發(fā)育疾病小頭畸形進(jìn)行研究。他們最感興趣的大腦區(qū)域是背側(cè)皮層，這一區(qū)域最容易受這種疾病影響。研究人員利用一名患有遺傳性小頭畸形的患者身上提取的細(xì)胞培育一些類器官，而后將其與利用健康參與者的細(xì)胞培育的迷你大腦進(jìn)行比較。在利用小頭畸形患者細(xì)胞培育的類器官中，轉(zhuǎn)化成神經(jīng)細(xì)胞的干細(xì)胞——這一過程被稱之為“分化”——數(shù)量超過利用健康參與者細(xì)胞培育的迷你大腦。波恩大學(xué)生命與大腦研究中心的奧利弗-布魯斯特指出這說明小頭畸形患者的神經(jīng)細(xì)胞過早分化，可能就是這種疾病背后的機(jī)制。

奧地利科學(xué)家進(jìn)行的此項(xiàng)研究建立在其他研究基礎(chǔ)之上，其他研究嘗試對(duì)干細(xì)胞培育的大腦組織進(jìn)行建模。2008年進(jìn)行的一項(xiàng)研究指出，老鼠胚胎干細(xì)胞可以轉(zhuǎn)化成“神經(jīng)細(xì)胞波”。2012年進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，能夠利用老鼠和人類的胚胎干細(xì)胞培育原始眼結(jié)構(gòu)和成層視網(wǎng)膜。研究論文作者指出他們并沒有培育完整尺寸人類大腦的計(jì)劃?？浦Z布里奇表示：“很明顯，我們的系統(tǒng)并不適于培育完整大腦。此外，這也不是我們的研究目標(biāo)。利用干細(xì)胞培育具有意識(shí)的大腦結(jié)構(gòu)可能不具有可能性，同時(shí)也不是我們想要的?！?/p>

雖然培育類器官是向前邁進(jìn)的重要一步，但研究人員距離為中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)回路進(jìn)行建模仍有很長的一段路要走?？浦Z布里奇指出功能正常的神經(jīng)回路需要具備感覺輸入。根據(jù)一項(xiàng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，視皮層無法在沒有來自眼睛的感覺輸入情況下正常組織。

對(duì)于利用干細(xì)胞培育大腦結(jié)構(gòu)，而后用于取代患者受損部位的前景，科諾布里奇也持一種悲觀態(tài)度。大腦是一個(gè)異常復(fù)雜的器官，各區(qū)域之間聯(lián)系非常緊密，因此很難通過置換的方式修復(fù)任何特定部位。一種更具有發(fā)展前景的方式是，直接將干細(xì)胞植入患者大腦，讓它們自行組織。不過，這種研究的未來前景仍充滿不確定性。布魯斯特并沒有參與這項(xiàng)研究。他指出這是一項(xiàng)非常引人注目的研究，能夠?yàn)榘l(fā)育生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究提供重要工具。