·了解神經(jīng)元中出現(xiàn)問題的原因，及導(dǎo)致腦部疾病的細(xì)胞和分子過程一直是帕斯卡進(jìn)行這項研究的動機。許多精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病在發(fā)展過程中根植于大腦——即使癥狀可能要到數(shù)年后才會出現(xiàn)——觀察神經(jīng)元如何發(fā)育也許是填補我們理解空白的最佳方式。

將人類大腦樣組織移植到只有幾天大的大鼠體內(nèi)，老鼠還是老鼠嗎？

10月12日，斯坦福大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Sergiu Pa?ca （塞爾吉·帕斯卡）教授團(tuán)隊在《自然》（Nature） 雜志發(fā)表了題為《Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids》的研究論文。

這項研究發(fā)現(xiàn)，人干細(xì)胞來源的類腦組織能與新生大鼠的大腦整合，還會影響大鼠行為。這表明：人們已經(jīng)找到了一種研究人類神經(jīng)元的新方法。

了解神經(jīng)元中出現(xiàn)問題的原因，及導(dǎo)致腦部疾病的細(xì)胞和分子過程一直是帕斯卡進(jìn)行這項研究的動機。許多精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病在發(fā)展過程中根植于大腦——即使癥狀可能要到數(shù)年后才會出現(xiàn)——觀察神經(jīng)元如何發(fā)育也許是填補我們理解空白的最佳方式。

帕斯卡表示，該技術(shù)或能作為一種很強大的資源，補充對人腦發(fā)育和疾病的實驗室研究，進(jìn)一步研究也許能讓我們利用患者來源的細(xì)胞揭開本來無從了解的疾病特征。

在這項研究中，帕斯卡團(tuán)隊首先將人腦類器官植入新生大鼠大腦的感覺皮層，一開始，這些植入的人腦類器官大約只有5mm長，但在6個月之后，它們占據(jù)了大鼠大腦半球的三分之一，且神經(jīng)元數(shù)量達(dá)到300萬。

在北京時間10月10日晚舉行的新聞發(fā)布會上，帕斯卡提到，早期移植十分關(guān)鍵，“我們發(fā)現(xiàn)，如果我們在早期階段植入類器官，它會在四五個月的時間內(nèi)長到比最初大9倍?！?/p>

來自干細(xì)胞的重建人類神經(jīng)元，在培養(yǎng)皿中維系并移植到大鼠大腦皮層中。圖片來源于斯坦福大學(xué)。

在研究中，帕斯卡團(tuán)隊轉(zhuǎn)動大鼠的胡須，發(fā)現(xiàn)人腦類器官中的一組神經(jīng)元出現(xiàn)了活動現(xiàn)象，當(dāng)人腦類器官被特定頻率的藍(lán)光刺激時，它會觸發(fā)大鼠的條件行為，它們更頻繁地舔水瓶，以此來尋求獎勵。帕斯卡解釋，“這意味著我們實際上已經(jīng)將人體細(xì)胞整合到了大鼠的神經(jīng)元回路中，成為了大鼠大腦的一部分。”

人類細(xì)胞茁壯成長，與老鼠的大腦融合在一起。它們長出血管，提供營養(yǎng)并帶走廢物，長出一種微妙的通信電纜——軸突，以及多節(jié)的刺。圖片來源于《自然》雜志。

他還提到，他的團(tuán)隊將移植到大鼠大腦的人類神經(jīng)元與生活在培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)移植的神經(jīng)元大了六倍，并且大小和電活動曲線都更接近于人類腦組織的神經(jīng)元。

此外，帕斯卡團(tuán)隊還在大鼠大腦中植入了來源于三名蒂莫西綜合征（Timothy syndrome，一種與心臟問題有關(guān)的嚴(yán)重遺傳?。┗颊叩哪X類器官，發(fā)現(xiàn)移植的攜帶蒂莫西綜合征基因的人類神經(jīng)元會生長出異常的樹突狀分支。最關(guān)鍵的是，一些異常的樹突分支只能在移植到大鼠皮層內(nèi)生長的人類神經(jīng)元中看到，在培養(yǎng)皿中生長的神經(jīng)元上看不到。這說明，這種植入技術(shù)能揭示之前未知的疾病特征。

“這是一項非常必要和優(yōu)雅的研究，它可以引導(dǎo)該領(lǐng)域朝著正確的方向?qū)ふ曳椒?，來提高人腦類器官的生理相關(guān)性，模擬人腦發(fā)育的后期階段。”南加州大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Giorgia Quadrato表示。

一個用熒光蛋白標(biāo)記的人類類腦在大鼠的大腦中。圖片來源于斯坦福大學(xué)。

10月12日，澎湃科技連線南京醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院特聘教授劉妍，解讀人腦類器官研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀。劉妍的研究興趣主要在于人腦類器官構(gòu)建，細(xì)胞治療研究以及應(yīng)用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（iPSC）開展神經(jīng)疾病發(fā)病機理的研究。

劉妍認(rèn)為帕斯卡團(tuán)隊的這項研究最大亮點在于，他們把培養(yǎng)的一部分人腦類器官移植到新生大鼠的大腦，另一部分在體外繼續(xù)培養(yǎng)，培養(yǎng)或移植至8-9個月的時候，對它們分別作了功能的解析，證明人腦類器官移植到新生鼠體內(nèi)后，相比同時期在體外培養(yǎng)的類器官，神經(jīng)元的形態(tài)要更豐富一點，電生理及其他神經(jīng)元功能也要更成熟一些。

“很多精神疾病沒有非常好的模型，把病人的類器官移植到動物模型身上，可以部分模擬疾病的病理表型。在活體上進(jìn)行研究，彌補了類器官體外研究的一些缺陷，比如不能研究環(huán)路整合以及不同腦區(qū)之間的投射，缺乏真實腦中具有的微環(huán)境，以及無法研究行為學(xué)等?！眲㈠f。

據(jù)悉，帕斯卡團(tuán)隊下一步的研究方向是進(jìn)行藥物測試。對此，劉妍表示看好，“把人的神經(jīng)細(xì)胞結(jié)合到小鼠體內(nèi)，就有了病人特有的病理表型，再通過載體的方式給藥，如腹腔注射或灌胃，模擬了藥物研發(fā)過程體內(nèi)藥物遞送的過程，這是體外培養(yǎng)的類器官做不到的。動物也有血腦屏障，通過‘人—鼠嵌合腦’的模型可以研究新藥對于血腦屏障的通透性，以及通過血腦屏障后對病人的神經(jīng)元或者病理表型的改善?！?/p>

目前來看，人腦類器官的研究仍處于早期的完善模型的階段。劉妍認(rèn)為，從藥物研發(fā)的角度，目前人腦類器官的研究仍然面臨著異質(zhì)性高、缺血管化和難以批量化生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。

“類器官的異質(zhì)性是共同面對的挑戰(zhàn)，分化的每一個類器官的大小和功能都不一樣。要做疾病機制研究的話，還是需要比較高的同質(zhì)性，不然可能很難得出一個一致結(jié)論。其次，體外培養(yǎng)人腦類器官還不是很成熟，目前沒有具有血流的血管。再次，人腦類器官的培育是一個精細(xì)活，需要科研人員精細(xì)培育，目前批量化也比較難?！眲㈠忉尩?。

除此以外，人類類器官的研究一直伴隨著倫理爭議，所幸的是，帕斯卡團(tuán)隊的研究中，這些老鼠并沒有表現(xiàn)出可檢測到的人類特征。帕斯卡說：“沒有任何證據(jù)表明老鼠經(jīng)歷過疼痛、容易癲癇發(fā)作，失去記憶或無法控制自己的運動。事實證明，老鼠對人體移植物的耐受性非常好?！?/p>

老鼠還是老鼠。類器官研究的再進(jìn)一步，令人期待。