本文轉自：文匯報

從頭設計“定製”器官，工程化器官制造技術將在未來10-15年走向成熟

日趨完整的“迷你大腦”離真正的人腦還有多遠

突觸和神經元細胞發送化學電信號。 圖/視覺中國

培育大腦類器官的最新方法學進展。（圖片來源：Frontiers）

一個“迷你大腦”，有分層的神經組織和不同的神經幹細胞羣，並已產生神經元。 （圖片來源：UCLA官網） 在生命倒計時中等待可移植器官，是一種令人焦灼的煎熬。朝着器官移植“按需定製”的終極夢想，研究人員正在探索如何從頭開始設計複雜組織，在工廠裏培育定製器官。據《麻省理工科技評論》最新發布的2023年“全球十大突破性技術”預測，工程化器官制造技術將在未來10-15年走向成熟。

除了可移植的人工器官，更前沿的實驗室甚至在嘗試培養人類腦細胞，這被稱爲“大腦類器官”或“迷你大腦”。研究人員正在努力使它們變得更像人腦。同時，這一研究也在加深和改變我們對大腦神經發育和疾病的理解。

■方陵生/編譯

十幾個細胞組成的淡黃色小球懸浮在一盤透明的粉紅色液體中。肉眼望去，那只是一些不規則的小斑點，但在高倍顯微鏡下，通過巧妙的染色技術，它們呈現出一圈圈層次分明的紅色、藍色和綠色的複雜構造。

這就是研究人員在實驗室裏培養出來的人類腦細胞。通過腦細胞相互連接的分支分岔而產生的腦電波，是人類思想的物質基礎。這些實驗室裏誕生的細胞集羣是英國劍橋大學瑪德琳·蘭卡斯特實驗室的研究成果。

這樣的大腦細胞結構叫作“大腦類器官”，也被稱爲“迷你大腦”，在幫助我們理解大腦方面有着令人着迷的前景。通過“迷你大腦”的開發研究，研究人員對大腦這一人體最神祕器官的運行方式有了更多新的見解。他們將更深入地瞭解自閉症患者的大腦與常人的不同之處，解析癡呆症和運動神經元疾病患者的大腦是如何出錯的。

如今，神經科學家希望在實驗室裏培育出更大更復雜的大腦類器官。有的研究人員嘗試用血管來培養，有人則嘗試將模擬大腦不同部分的兩個類器官結合在一起。如果這些實驗能夠成功，實驗室培養的大腦將能比以往任何時候都更詳盡地模擬真實人腦的發育和疾病，爲探索新的治療方法鋪平道路。

這是一個令人憧憬的前景，但科學家最終能培育出有感知能力的“迷你大腦”嗎？

從平面到立體

自動形成“了不起的結構”

開發類器官的關鍵是幹細胞，與普通體細胞相比，幹細胞更容易培養和增殖。2006年，幹細胞研究取得了突破性進展，日本研究人員採用成人皮膚細胞樣本，通過基因編程技術將其改造爲誘導多能幹細胞，簡稱iPS細胞。iPS細胞類似於受孕頭幾天的胚胎細胞，可發育成各種人體組織，包括大腦細胞和大腦神經元。

培養皿中人工培育的神經元有一個缺點，那就是它是平面的，只有一個維度。而真實人類大腦細胞則排列成三維的立體狀，它們互相擠挨在一起，處於持續不斷的信息交流中。

研究人員創建三維細胞集羣的方法是將幹細胞注射到一小團凝膠中，凝膠懸浮於液體中，保持持續晃動狀態，以防止它下沉到培養皿底部。幹細胞在培養皿中增殖併發育成不同類型的人腦細胞，最終形成被稱爲“大腦類器官”的細胞集羣。

蘭卡斯特是最早嘗試將人類幹細胞轉化爲神經幹細胞的科學家之一。2013年，蘭卡斯特開發的大腦類器官在兩個月後發育出了大腦生命組織——腦葉，其中包含了數十種不同類型成熟的神經元和不成熟的神經幹細胞，這些神經細胞在充滿營養液的空腔組織中分爲不同的層次。“這是大腦類器官的絕妙組織結構。”蘭卡斯特說。

類器官的開發爲神經學家繞開使用人類胚胎組織樣本研究大腦所涉及的倫理問題提供了一個獨特機會。其他許多實驗室紛紛加入到這一研究中來，參與開發產生不同大腦部分的大腦類器官。

大腦類器官的細胞集羣遵循與胚胎髮育相似的模式，如產生哪些細胞層、激活哪些基因、製造哪些蛋白質等。美國加利福尼亞州拉荷拉市索爾克生物研究所的弗雷德·蓋奇說：“最令人着迷的是大腦類器官的自我模式化過程，只需將幹細胞放入培養皿中，提供一定條件，它們就會形成非常了不起的結構。”

同樣令人驚訝的是，成熟的神經元可以激發產生大腦電信號。研究人員甚至還檢測到，不同的神經元有時會表現出腦電波的同步活動模式。美國加州大學聖地亞哥分校的艾利森·莫特里爾在“迷你大腦”研究方面取得了一些引人矚目的成就，他指出，“迷你大腦”的複雜程度與出生前一個月左右的胎兒相類似。

模擬疾病特徵

“迷你大腦”溯源致病機制

一些研究團隊發現，培育了9個月的類器官在行爲上會有變化。美國斯坦福大學的塞爾吉烏·帕斯卡說，這些細胞似乎有遺傳記憶，它們會記得在真實大腦中應該會在什麼時候出生，到時候了，它們就開始改變自己的形態和蛋白質表達。例如，在新生嬰兒的大腦中，一種叫做NMDA受體的分子形態會發生變化，NMDA受體的作用是參與神經元之間的化學信號傳遞。帕斯卡培養的“迷你大腦”在8.5至10個月左右的時候就出現了這種變化。

但這並不表明，“迷你大腦”與真實的胚胎或嬰兒大腦是完全一樣的。“迷你大腦”長到大約幾毫米左右就會停止生長，不會長得更大，但它們已經表現出令科學家非常感興趣的一些特性。

蘭卡斯特的研究目標主要是理解大腦的發育和演變，這兩項研究是相互關聯的，因爲漸進性演變通常通過胚胎髮育這一途徑來實現。

“是什麼讓人類成爲如此特殊的一個物種？這是困惑了人類數千年的一個根本問題。”蘭卡斯特說。通過對人類“迷你大腦”與黑猩猩、大猩猩細胞組織樣本培育的“迷你大腦”的比較，蘭卡斯特團隊發現，基因變化可以解釋爲何人類大腦會進化得如此發達。一個重要原因是，人類嬰兒在母體中的時間較長，神經幹細胞增殖階段時間更長，產生的腦細胞也更多。

還有一些研究團隊提取了一些病人的皮膚細胞，培育出模擬各種人類疾病的“迷你大腦”。如果基因在這些疾病的產生中起主要作用，那麼培育出的大腦類器官也會有和那些病人相類似的特徵。

以運動神經元疾病和額顳葉癡呆爲例，前者會導致進行性癱瘓，後者是一種發病年齡多在50歲左右且不常見的癡呆症。這兩種病症看似並無關聯，但事實上，它們往往是由同一組基因突變引起的。這些突變通常會削弱腦細胞應對蛋白質和DNA損傷的能力，而蛋白質和DNA損傷與聚多糖水平上升有關。

英國劍橋大學的安德拉斯·拉卡託斯主持的一項研究發現，從這些疾病患者的細胞中提取神經元所開發出的類器官，也顯示了同樣的特徵，包括聚多糖的增加。這一發現意味着，通過對類器官的觀察，可以看到疾病隨着時間推移而發展的一些特徵。如此，就可以看出到底是哪裏出了問題。

類器官的開發研究還能幫助研究人員更好地理解自閉症。自閉症患者可能在溝通和社交技能方面有困難，也可能會有重複刻板行爲。利用自閉症患者細胞開發類器官的多個研究團隊已經發現了這些患者大腦與正常大腦有差異的一些關鍵線索。

美國耶魯大學的弗洛拉·瓦卡里諾和她的同事對“興奮性”腦細胞和“抑制性”腦細胞進行觀察後發現，“興奮性”腦細胞可提高觸發神經元放電的能力，而“抑制性”腦細胞則會阻礙神經元的放電活動。研究發現，自閉症大腦的類器官模型包含比常人更多的抑制性神經元。瓦卡里諾認爲，更多的抑制性神經元可能會影響胎兒大腦神經元的連接方式。

她還發現，類器官可以揭示自閉症的遺傳因素。在用自閉症患者細胞開發的類器官中，抑制性神經元數量的增加可以追溯到一種名爲FOZG1的分子水平的升高。據推測，許多不同的自閉症基因都是通過FOZG1起作用的。他們將把這作爲下一步研究的主要目標。

類器官血管化

催生更成熟完整腦組織

許多研究發現表明，類器官擁有其他大腦研究方式所不具備的巨大潛力，但它仍然只是人類大腦一個不完美的模型。目前最明顯的缺憾是，它們在幾個月後長到幾毫米時就會停止生長。

大腦類器官不能持續生長的原因是沒有血管給它們提供氧氣和營養。與自然組織不同，類器官只是被動地依靠培養皿中滲透進來的營養液生長和存活。當生長到一定大小，一旦營養供給不夠，它們就會停止生長，並從中心部位的細胞開始逐漸死亡。當然，血管化的重要性還不止於此。血管還在調節神經發育、細胞遷移和早期大腦發育的腦神經迴路形成中起到重要作用。

沒有了自然組織提供的這些條件，大腦類器官自然無法長到像真正的大腦那樣，也因此限制了研究人員更深入的研究。其實，包括大腦組織在內，實驗室所培育的任何機體組織的血管化，都是一件非常困難的事情。

儘管如此，研究人員依然在堅持不懈地進行嘗試。蓋奇想到的辦法是將未成熟的大腦類器官移植到老鼠大腦中，讓老鼠血管侵入並滋養人類“迷你大腦”。他的研究團隊發現，人類大腦細胞在接納了侵入的老鼠血管後，與老鼠的大腦連接在了一起。但正如蓋奇所指出的那樣，這個辦法最大的缺點是，無法獲得一個完整的人類“迷你大腦”。

另外兩個研究團隊採用的辦法是，設法讓人類血管在人類“迷你大腦”中生長，但這一研究還只處於初步階段。其中一個團隊的方法是，用幹細胞培育血管化類器官，然後將它們與另一個大腦類器官融合在一起——用這種辦法培育的血管化“迷你大腦”可至少存活50天。

美國耶魯大學醫學院的一個研究團隊在神經元中加入了一種在血管細胞發育過程中表現活躍的基因，並使其在類器官培養至18天時啓動，這一辦法可使一些腦細胞轉變爲血管細胞，並自我組織成一個血管網絡。用這種辦法培育出來的大腦類器官雖然不會比普通的大腦類器官長得更大，但卻可擁有更多的成熟神經元。

莫特里爾和他的同事另闢蹊徑，他們將圍繞某種特殊纖維培育的微型大腦暴露於某種化學物質中，讓材料溶解。幾周後，這些纖維被破壞，在類器官內部留下空心通道，而營養液則可通過這些通道，輕輕泵入大腦類器官——在更多營養液的灌注下，類器官產生了更多成熟的神經突觸。

創建真正人腦

科學家剛剛邁出第一步

還有一些研究人員將培育更復雜的大腦作爲他們的目標。他們的方法是，培養出模擬大腦不同部分的多個大腦類器官，再將它們連接起來，構成一個被稱爲“組裝類器官”的更大的大腦結構。

例如，帕斯卡將皮質類器官與脊髓類器官連接起來，脊髓類器官與培養皿中的一束肌肉纖維相連，模擬控制活體動物運動的大腦電路，皮質器官受到刺激，肌肉纖維就會產生顫動。

組裝類器官研究還揭示了胎兒大腦發育的另一個關鍵特徵——神經元遷移。神經元不會一直停留在它們誕生的地方，這是一條几乎不變的規則。神經元遷移不僅僅是一種單純的運動，通常神經元會在遷移過程中成熟。帕斯卡的團隊發現，將一個皮質類器官和一個代表大腦皮層下皮層的類器官合併在一起時，觸發了神經元從後者遷移到前者。

“迷你大腦”的另一個缺點是，缺少來自周圍環境的感知輸入，而這通常是腦回路發育不可缺少的。爲給大腦類器官提供這樣的條件，莫特里爾走出了探索嘗試的第一步。他將大腦類器官無線連接到一個在地板上轉圈的微型機器人身上，“機器人將看到的信息傳送給大腦類器官，大腦類器官對收到的信息做出反應。”莫特里爾解釋。

究竟哪一種方法才能培育出更發達更完美的人類大腦，目前尚未有定論。但即使其中有一兩個途徑能取得某種程度的成功，研究人員將有可能面臨另一個問題：人造大腦會不會變得像真正的人類大腦一樣？大腦類器官會不會產生知覺？會不會有疼痛等感覺？其實，科學家已經在考慮這種可能性。

目前，大腦類器官遠未能達到人類大腦的複雜程度，雖然莫特里爾開發的類器官能夠產生腦電波，但這並不等同於能夠產生意識。但他預測，類器官將不可避免地會達到類似於老鼠感知能力的某種水平。

“我們會做到的，然後我們就得面對它所導致的後果了。”他說。首先，科學家如何知道類器官是否產生了接近老鼠的意識水平，“如果做到了，我們是否有義務消滅它們，或者還是讓它們存活得越久越好呢？”解決這些問題將是困難的，因爲人類還沒能真正瞭解意識的科學基礎。具有諷刺意味的是，“迷你大腦”也許可以幫助我們解決這個問題。但沒有人能確切地知道，它將給人類帶來什麼。創建真正的人類大腦，“我們纔剛剛開始邁出第一步。”蓋奇說。