研究人員首次用胎兒腦組織培育出類器官,爲研究大腦發育提供新工具

研究人員首次用胎兒腦組織培育出類器官,爲研究大腦發育提供新工具
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1月11日消息,嬰兒出生時大腦已有許多神經元,科學家難以直接在人類身上研究大腦在子宮內的發育。但現在,研究人員可以在培養皿中培養出人類胎兒腦組織的微型大腦類器官。這種全新方法可能引發爭議,但也爲研究大腦發育提供了一種現實模型,有助於科學家研究大腦發育障礙以及腦腫瘤等疾病。

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本週美國科學期刊《細胞》報道了相關成果。一支研究團隊率先實現了這一目標,他們表示可以對腦組織進行基因工程改造,用胎兒腦類器官(FeBOs)模擬某些疾病的演進過程。

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加州大學舊金山分校神經學家阿諾德·克里格斯坦(Arnold Kriegstein)表示,研究人員已經爲這種新的類器官“展示了一些有趣和創造性的用途”。他認爲胎兒腦類器官可以幫助研究人員解決以前未能接觸到的問題,比如特定神經元是如何在發育成熟的大腦中分化完成的。

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研究人員利用幹細胞培育出仿大腦和神經系統多個部分的類器官,這些幹細胞在適當的外界刺激和環境下分化成許多已知的細胞類型。爲了研究影響大腦發育的遺傳條件,科學家還可以將受影響患者的成熟細胞“重新編程”爲幹細胞,從而培育出類器官。一些幹細胞衍生的類腦器官通常只有米粒大小,甚至能產生類似胎兒大腦的電活動。

馬克西馬公主兒科腫瘤學中心(Princess Máxima Center forPediatric Oncology)的幹細胞生物學家貝尼德塔·阿特吉亞尼(Benedetta Artegiani)表示,儘管這些類器官可以作爲研究大腦的替代物,但原始幹細胞必須通過引入信號分子的混合物,從而“刺激”幹細胞發育到類似大腦的狀態。這是一個複雜的過程,可能無法完全複製正常的發育過程。相比之下,使用天然胎兒腦組織培育類腦器官可能有助於揭示人類大腦的真實發育過程。之前有研究人員已經用人類胎兒腸道、肝臟和肺組織培育出相應的類器官,但沒有用胎兒腦組織培育過類腦器官。

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阿特吉亞尼與胡布雷希特研究所(Hubrecht Institute)的幹細胞生物學家黛利拉·亨德里克斯(Delilah Hendriks)等人收集了人類胎兒在受孕後12周到15周的腦組織。在發育的這個階段,人類大腦正在迅速分化擴張,許多幹細胞已經變成神經細胞的祖細胞,但並不是所有的幹細胞都已經分化成各種類型的神經元、被稱爲神經膠質的支持細胞和大腦中的其他細胞。

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歐洲研究小組是從墮胎中獲得的胎兒腦組織,但進行此類研究在倫理上仍存在爭議。他們獲得了孕婦的知情同意,這些孕婦捐贈了胎兒組織,並且沒有涉及費用問題。

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研究人員使用了來自皮層、前腦和脊髓等不同大腦區域的組織,將樣本切成幾層,並將每層樣本放在一個單獨的培養皿中,培養皿中有引導細胞如何生長的分子。《細胞》期刊報道說,每個胎兒腦類器官最終都發育成一個與原始組織相似的3D結構,所形成的球狀結構中心含有神經元,外部是祖細胞,能夠進一步發育成更成熟的大腦。

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爲了測試穩定的胎兒腦類器官是否會變得更加成熟,研究小組改變了類器官周圍液體介質中的信號分子。這使得祖細胞停止複製,轉而變成神經元細胞。這些細胞彼此之間形成連接,並像在一個完整大腦中一樣開始放電。研究人員還與生物倫理學家合作,確保胎兒腦類器官不會感到疼痛或出現意識。他們強調,這兩種情況都不太可能發生,因爲類器官缺乏感覺輸入以及成熟大腦區域之間的相互作用。

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阿特吉亞尼和亨德里克斯還改變了類器官的DNA,使用基因組編輯器CRISPR讓膠質母細胞瘤等腦腫瘤相關基因發生突變。他們發現,這些細胞如預期那樣失去了控制,對抗癌藥物的反應與完整大腦一樣。論文作者說,這個模型有助於科學家測試新的腦癌治療藥物。他們還計劃使用胎兒腦類器官來研究唐氏綜合徵等神經發育障礙疾病。亨德里克斯說,到目前爲止進行的實驗只是“冰山一角”。

远大的抱负

加州大學聖地亞哥分校的神經科學家阿利森·穆特里(Alysson Muotri)表示,這項工作做得很好,但考慮到之前對幹細胞衍生類器官的研究,關於胎兒腦類器官生長和分化的發現並不令人驚訝。他說:“這證實了(幹細胞衍生的)類器官確實在模仿胎兒的大腦發育。”他說,這個新模型最終有可能揭示不同信號分子在大腦發育中的作用,儘管這還沒有得到證實。

加州大學舊金山分校神經學家克里格斯坦則認爲,胎兒腦類器官顯然會產生自己的支持蛋白網絡,也就是細胞外基質,這可以讓研究人員進一步研究這些腦組織結構是如何發育和分化的。

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阿特吉亞尼認爲胎兒腦類器官和幹細胞衍生的類器官各有優勢。幹細胞衍生的類器官可以揭示大腦發育的早期階段,包括幹細胞如何發育成不同的細胞類型。她認爲,胎兒腦類器官可以顯示單個大腦區域是如何發育並形成特定結構的。

儘管如此,對於許多科學家來說,幹細胞衍生的類器官可能更容易獲得和使用。在美國,2019年的一項法律禁止爲使用流產胎兒組織的研究提供聯邦資金。美國總統拜登在2021年撤銷了這一禁令,但美國法律仍要孕婦知情同意,並禁止研究人員向孕婦支付費用。美國國立衛生研究院要求,尋求聯邦資助的研究人員必須證明使用胎兒組織的合理性。

這種限制也可能擴大。美國參議院和多個州立法機構的提案要麼完全禁止對胎兒組織進行研究,要麼要求將胎兒組織埋葬或火化,使研究人員無法獲得這些組織。(辰辰)