2015年十大突破性技术之大脑类器官

一种培养人脑细胞的新方法可能揭开痴呆症、精神病和其他神经障碍的神秘面纱，也可能揭开最大的奥秘：我们的大脑内部发生了什么，使得我们与其他动物不同，以及找到我们之所以成为人类的真相。

麦德林·兰卡斯特找到了一种方法，可使神经细胞在培养皿中发育，直至这些细胞发展出活人脑特征

 

当麦德林·兰卡斯特将一个透明塑料培养皿举至灯光下，大约有十二个小异形珍珠大小的组织块进入培养皿的桃色液体中。这些组织块就是大脑类器官，在发育的头三个月里，这些类器官就拥有人类大脑的某些特征——包括皮层中的脑叶。

 

虽然人类组织束有时被称为“培养皿中培育的大脑”，但它们不全是“培养皿中培育的大脑”。但它们确实能够使我们了解神经细胞的发育及活动方式，而且它们能够改变我们对所有事情（从基础的大脑活动到精神分裂症与孤独症病因）的理解。

 

在兰卡斯特的培养皿中培养大脑类器官之前，先从成年人身上取下单个皮肤细胞，然后开始培养。在正确的生物化学刺激之下，皮肤细胞可转化为一个诱导多能干细胞（这种细胞可发育成为几种类型的细胞），然后变成神经细胞。这就使得我们能够做一些以前不能够做的事。

 

现在，科学家可直接观看活人脑细胞发育及活动的方式，及这些细胞是如何受各种药物混合物或基因改造的影响。而且因为这些微型脑可由一种特定的人类细胞发育成，所有类器官可作为各种疾病的非常精确的模型。

 

比如，直接来源于阿兹海默症患者的神经细胞有何问题？对找到这些问题的答案的期望，指引着医药公司和学术研究人员去寻求与兰卡斯特和尤尔根·克诺布利希的合作，兰卡斯特作为一名博士后，在她们位于奥地利维也纳的分子生物技术研究所（IMBA）的实验室内培育了类器官。

 

这些合作中的第一个是与爱丁堡大学的安德鲁·杰克逊合作的一项头小畸型调查，头小畸型是一种大脑偏小疾病。他们的团队利用来自头小畸型患者身上的细胞，培养具有头小畸型患者的大脑特征的类器官。

 

然后，研究人员不仅替换了一种与这种疾病有关的缺陷蛋白，且能够培养出似乎局部痊愈的类器官。

兰卡斯特举起培养皿中的类器官

兰卡斯特实验室的研究生玛格达莱娜·雷纳，在显微镜下检查类细胞

各种各样的类器官在保温箱的振动器上维持生命

被切成极薄切片的类器官已经被放置在载玻片上以便检测

类器官着色切片的特写镜头

 

这仅仅是开始，兰卡斯特说道。像麻省理工学院的鲁道夫·耶尼施和约翰霍普金斯大学的明国丽这样研究人员，正开始利用大脑类器官研究孤独症、精神分裂症和癫痫。

 

大脑类器官特别有用的之处是，它们的生长发映着人脑发育的方向，比如细胞分裂，呈现出（比如）小脑的特征，以层的形式聚簇在一起，并开始看起来像大脑的独立式三维结构。

 

如果过程中某些地方出了差错——类器官发育时，可以观察到这些差错——科学家可寻找可能的原因、机制及甚至是药物治疗法。

 

生成这些类器官的技术突破在一个编外项目中发生的。先前，其他研究人员已经在培养皿中培育了神经细胞，像他们一样，兰卡斯特从使用一个浅平培养皿“玩弄”神经干细胞开始的——神经干细胞可形成神经系统中的神经细胞及其他细胞。

 

有时，她说，“我会取来一些不会真正形成二维团的神经干细胞，这些细胞可能从培养皿中滑落，并形成三维细胞团——而不是忽略这些细胞或把这些细胞扔掉，我认为，‘这些细胞很好——如果他们继续生长，让我看看会发生什么。’”

 

但是有一个主要挑战：在不利用静脉的情况下，怎么喂养类器官中间的组织。

 

兰卡斯特的方法是，将每个类器官封装在一个培养细胞已知的基质内，把12个这样的小团放置在一个有营养的容器内，并摇晃或旋转这个容器使得类器官周围充满细胞食物。

 

自从发布了她的方法后，在稍后的发展阶段，兰卡斯特已经利用神经细胞将脑组织推向一个更复杂的水平。每前进一步，可能的用途就会增加。

 

最吸引人兰卡斯特的是这一前景——大脑类器官可能揭开最大的奥秘：我们的大脑内部发生了什么，使得我们与其他动物不同？“我最感兴趣的是，”她说道，“找到我们之所以成为人类的真相。”