科學家利用干細胞培育大腦類器官

據美國有線電視新聞網（CNN）報道，借助于干細胞，科學家已經成功培育出跳動的心臟組織、氣管和膀胱。現在，奧地利科學家又在培育人體器官的道路上向前邁進了重要一步——利用干細胞這種可編程細胞培育出迷你大腦。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成了人類大腦組織。借助于類器官，科學家能夠解答與大腦發育以及最初發育階段出現的紊亂有關的一系列重大疑問。

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

科學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成了人類大腦組織。通過對大腦類器官進行研究，科學家能夠解答與大腦發育以及最初發育階段出現的紊亂有關的一系列重大疑問。研究發現刊登在《自然》雜志上。

研究論文主執筆人、奧地利科學家、分析生物科技研究所研究員瑪德麗娜-蘭卡斯特在27日舉行的新聞發布會上指出，這些類器官的構成與一個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百個類器官。在發育初期，人類大腦的一些主要區域以及類似中腦和后腦等區域已經擁有可辨認的特征，包括背側皮層、腹側前腦以及產生腦脊髓液的脈絡叢。蘭卡斯特和同事指出他們在所培育的迷你大腦的同樣區域也發現了這些特征。

不過，這些區域無法像一個正常大腦一樣被自然而然地“植入”干細胞模型。蘭卡斯特說：“在正在發育的胚胎中，你會看到這些不同區域并非以同樣的方式組織。”類器官缺少9周大人類胚胎大腦的一些確定特征，例如與運動有關的小腦。此外，在這種類似大腦的結構中，科學家也極少發現對記憶至關重要的海馬狀突起。

研究人員利用人類胚胎干細胞和誘導性多功能干細胞進行這種研究。這兩種干細胞都有能力發育成身體的任何部位。不過，使用胚胎干細胞進行研究引發巨大爭議，原因在獲取干細胞的方式。從4天或5天大的胚胎上提取干細胞后，胚胎便被毀掉。使用誘導性多功能干細胞則沒有這種爭議，因為科學家通常利用皮膚細胞進行培育，采用一種“化學浴”將其轉化成類似一個發育中胚胎的狀態。

科諾布里奇指出利用胚胎干細胞和誘導性多功能干細胞培育的類器官并沒有明顯差異。研究人員發現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域并未在類器官中出現。蘭卡斯特通過使用生長因子（刺激細胞增殖的物質）的方式引導一些類器官內的區域發育。在嘗試讓迷你大腦生長出更多背側皮層時，她吃驚地發現人為干預下生長出的背側皮層數量不及自然發育。蘭卡斯特說：“我們認為不同區域之間的‘交流’——類器官不同大腦區域之間的通訊——對每一個個體區域的發育都至關重要?！?/p>

研究人員利用類器官這個模型對神經發育疾病小頭畸形進行研究。他們最感興趣的大腦區域是背側皮層，這一區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胞培育一些類器官，而后將其與利用健康參與者的細胞培育的迷你大腦進行比較。在利用小頭畸形患者細胞培育的類器官中，轉化成神經細胞的干細胞——這一過程被稱之為“分化”——數量超過利用健康參與者細胞培育的迷你大腦。波恩大學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細胞過早分化，可能就是這種疾病背后的機制。

奧地利科學家進行的此項研究建立在其他研究基礎之上，其他研究嘗試對干細胞培育的大腦組織進行建模。2008年進行的一項研究指出，老鼠胚胎干細胞可以轉化成“神經細胞波”。2012年進行的一項研究發現，能夠利用老鼠和人類的胚胎干細胞培育原始眼結構和成層視網膜。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劃。科諾布里奇表示：“很明顯，我們的系統并不適于培育完整大腦。此外，這也不是我們的研究目標。利用干細胞培育具有意識的大腦結構可能不具有可能性，同時也不是我們想要的。”

雖然培育類器官是向前邁進的重要一步，但研究人員距離為中樞神經系統內的神經回路進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回路需要具備感覺輸入。根據一項經典實驗，視皮層無法在沒有來自眼睛的感覺輸入情況下正常組織。

對于利用干細胞培育大腦結構，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度。大腦是一個異常復雜的器官，各區域之間聯系非常緊密，因此很難通過置換的方式修復任何特定部位。一種更具有發展前景的方式是，直接將干細胞植入患者大腦，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研究。他指出這是一項非常引人注目的研究，能夠為發育生物學和生物醫學研究提供重要工具。