把不可能變成可能：制造一個迷你大腦

南方周末特約撰稿　陳彬

科學家用干細胞培養(yǎng)出三種像小球一樣的類器官，分別是大腦皮層、脊髓、骨骼肌，并將三者組裝在一起。

塞爾吉烏·帕斯卡。

培養(yǎng)皿經(jīng)過特殊的處理，為培養(yǎng)三維的類器官提供了絕佳的條件。

★通過把在實驗室中培養(yǎng)出來的迷你版組織和器官組裝到一起，美國科學家有史以來第一次構(gòu)建出了一個能夠控制自主運動的人的三維神經(jīng)回路，這相當于在實驗室里制造一個迷你大腦。

你感到有些餓了，看到桌上有一塊巧克力，因此伸手把它拿過來，掰下一些放到嘴里。這個過程看似簡單，其實卻相當復雜：首先，你的視覺系統(tǒng)需要采集巧克力的視覺信號；在經(jīng)過一些預處理后，這些信號會被傳入你的大腦；在那里，大腦會把這些信號和其他信號進行整合計算，最終作出“吃掉它”的決定；最后，大腦中控制運動的區(qū)域（運動皮層）會發(fā)出指令，這些指令通過脊髓被傳到控制相關肌肉的神經(jīng)元，由這些神經(jīng)元來控制肌肉的松弛和收縮，使你伸出手。

這其中任何一環(huán)如果出了問題，這個過程都可能無法完成。以最后一個環(huán)節(jié)為例，如果從運動皮

層到肌肉的這條神經(jīng)信號傳遞通路（被稱為神經(jīng)回路）出了問題，那么人的自主運動能力就會受到影響。事實上，很多疾病都可能影響這個神經(jīng)回路。為了搞清楚這些疾病的致病機理并尋找治療方法，科學家一直都在試圖以更貼近人體的狀態(tài)來研究這些神經(jīng)回路。

美國科學家最近在世界頂級生命科學期刊《細胞》雜志上發(fā)表了一項研究，通過把一些迷你版的組織和器官組裝到一起，他們有史以來第一次構(gòu)建出了一個控制自主運動的人的三維神經(jīng)回路。領導這項研究的是斯坦福大學年僅38歲的干細胞生物學家塞爾吉烏·帕斯卡（Ser-giu Pa?ca），在過去的幾年間，這名學界超新星的實驗室不斷構(gòu)建出各種用于疾病研究的三維結(jié)構(gòu)，為相關疾病的研究提供了有力的工具。他，是組裝器官的人。

擺脫倫理的枷鎖

在動物中，無論是低等的線蟲、果蠅，還是高等的黑猩猩和人，都有一類被稱為干細胞的細胞。這些細胞的一個主要功能是為機體提供源源不斷的特化細胞：干細胞不斷分裂，產(chǎn)生的一部分子代細胞會轉(zhuǎn)變成各種特化的細胞（這個過程被稱為分化），肌肉細胞、肝臟細胞、神經(jīng)細胞，無不如此。但干細胞的“能力”也有高有低，有的是“全才”（全能干細胞），能分化成所有類型的細胞；有的“多才多藝”（多能干細胞），能分化成很多類型的細胞（實際上，最“多才多藝”的那些可以分化成幾乎所有類型的細胞）；還有的則很“專一”（單能干細胞），只能分化成一類細胞。干細胞的這些特點使它們成為發(fā)育生物學等領域科學家的有力研究工具。

在一個群體中，“全才”往往是很稀少的，干細胞也不例外，只有胚胎發(fā)育非常早的時期的細胞才有全能性：受精卵分裂到32個細胞之前，所有的細胞都是全能干細胞，在這之后細胞就喪失了全能性。因此，在很長的一段時間里，研究者都使用“多才多藝”程度很高的人類胚胎干細胞作為研究工具。但這些細胞取自早期胚胎，因此引發(fā)了醫(yī)學倫理方面的爭議，嚴重束縛了相關研究領域的發(fā)展。

2006年，通過向小鼠的體細胞中引入4個基因，日本科學家山中伸彌成功把這些細胞誘導成了一類具有胚胎干細胞特征的細胞，他把這些細胞稱為誘導多能干細胞。醫(yī)學倫理的枷鎖自此被解開，發(fā)育生物學、干細胞治療等研究領域隨后頻頻出現(xiàn)重大突破，山中伸彌也因為這一發(fā)現(xiàn)獲得了2012年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

培養(yǎng)皿中的器官

要探尋各種人類疾病的致病機理和治療方法，最理想的方式當然是在活體的人身上進行相關的研究，但無論是出于科學倫理的原因還是人的高度復雜性，這樣的研究很多時候都難于開展。即使是在實驗動物上，有的問題也顯得過于復雜，因此研究者常常會把問題簡單化，以便從紛繁復雜的現(xiàn)象中厘清思路，尋找線索。

有了誘導多能干細胞這個強大工具，在過去十多年間，出現(xiàn)了一個新興的領域：利用誘導多能干細胞，研究人員培養(yǎng)出了一個個尺度只有幾毫米的迷你三維器官（被稱為類器官），并用這些迷你器官來研究組織和器官的發(fā)育過程、相關疾病的致病原因以及可能的治療方法。（誘導多能干細胞技術(shù)發(fā)明前有一些利用其他干細胞的類器官研究，但誘導多能干細胞技術(shù)發(fā)明后這個領域才迎來了爆發(fā)。）

生物體要發(fā)育出正常的器官，細胞之間必須不斷交流，只有在周圍環(huán)境提供的信息的引導下，相應的細胞才能一步一步組織成器官。用干細胞培養(yǎng)類器官模擬的正是這個發(fā)育過程：在正確的時間、正確的地點，為細胞提供正確的信號，使它們一步步地分化，并組織成類似器官的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過十多年的努力，科研人員已經(jīng)成功培育出了超過十種人類的類器官，這其中既有相對簡單的唾液腺的類器官，也有更為復雜的肝、肺、腎、腸、腦的類器官。

與在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細胞相比，這些類器官顯然更貼合人體中的情況，因此能夠為相關的研究提供更多的有效信息。以過去一年間橫掃全球的新冠疫情為例，科學家已經(jīng)用人的血管、腎、肺、腸的類器官對病毒感染人的機制進行了研究，并取得了一些進展。

用“小球”制造脊髓

在發(fā)表在《細胞》雜志上的這項新研究中，帕斯卡團隊的科學家首先用人的誘導多能干細胞培養(yǎng)出了三種類器官，分別是大腦皮層、脊髓、骨骼肌的類器官。

雖然培養(yǎng)類器官的策略用“為細胞提供正確的信號”這樣簡單的一句話就能概括，但操作起來其實并不容易，研究人員只能在此前研究的基礎上摸索究竟什么樣的信號是正確的信號。以這項研究中培養(yǎng)脊髓類器官的過程為例，研究人員首先會把誘導多能干細胞轉(zhuǎn)移到一種比較特殊的培養(yǎng)皿中。在常規(guī)的培養(yǎng)皿中，這些細胞能夠緊緊地貼壁。而在這種特殊的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿經(jīng)過特殊的處理，因此細胞的貼壁能力非常有限。這為培養(yǎng)三維的類器官提供了絕佳的條件：如果細胞貼壁太緊，那么這些細胞將只能聚集成一層二維的細胞“薄片”，有限的貼壁則使細胞可以聚集成三維的“小球”，如果條件適當，就能被培養(yǎng)成三維的類器官。

但聚集成一個個“小球”只是第一步，難度更大的是摸索出究竟要為這些干細胞“小球”提供什么樣的信號，它們才能轉(zhuǎn)變成迷你脊髓。在解剖結(jié)構(gòu)上，高等動物往往都不是完全對稱的，人也不例外，比如我們腹側(cè)和背側(cè)的結(jié)構(gòu)和功能就都存在差異。這些差異是發(fā)育過程中一些關鍵的信號分子在身體不同區(qū)域的濃度差異導致的。比如，有的分子在應該發(fā)育成背側(cè)的區(qū)域的濃度可能會比較高，而在應該發(fā)育成腹側(cè)的區(qū)域的濃度比較低。通過讀取這種濃度信號的“指令”，不同區(qū)域的細胞就會分化、發(fā)育成相應的組織和器官。但要決定這些發(fā)育模式，往往不是一種分子的濃度說了算的，而是由好幾種分子的濃度搭配組合來決定的。這并不令人意外，畢竟動物不僅有背腹差異，還有頭尾差異，而且不同區(qū)域開始發(fā)育的時間也有所不同，這些都需要有信號來引導細胞。

這種復雜性大大增加了摸索出合適信號的難度，帕斯卡實驗室的研究人員不得不使用一種“笨辦法”。基于此前的研究結(jié)果，這些科學家選擇了3種分子，每種分子分別選用了2-3種濃度，然后把3種分子混合到一起（每種分子選用一個備選濃度），作為發(fā)育的指令提供給這些干細胞“小球”。使用這種排列組合的摸索方式，研究人員逐一嘗試了12種方案，并分析了干細胞“小球”在這些信號的引導下的發(fā)育情況。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其中一種濃度搭配的引導下，干細胞“小球”能夠發(fā)育成具有脊髓特征的類器官，這也是研究人員第一次制造出人脊髓的類器官。

由于科學家此前就已經(jīng)摸索出了制造大腦皮層類器官和肌肉類器官的方法，因此借助這些方法，帕斯卡實驗室的研究人員手中就有了整個自主運動神經(jīng)回路的所有3種元件，而且這些類器官都非常穩(wěn)定，可以存活數(shù)月之久。問題的關鍵現(xiàn)在轉(zhuǎn)變成了如何把它們組裝到一起。

組裝器官

你也許會覺得要把這3種類器官組裝到一起，難度會非常大。但帕斯卡實驗室的研究人員卻發(fā)現(xiàn)，在恰當?shù)呐囵B(yǎng)條件下，這些類器官都很善于“交際”，只需要為它們提供一點點便利，它們就能組裝到一起：把這些類器官貼在一起培養(yǎng)！　使用這種方法，首先把兩種類器官組裝到一起，然后再把第三種類器官組裝上去，就能組裝出這個控制自主運動的神經(jīng)回路。帕斯卡把這種不同類器官組裝到一起的結(jié)構(gòu)稱為組裝體（assembloid）。

當然，這只是一種事后諸葛亮的說法，畢竟，既然已經(jīng)把它們貼在一起培養(yǎng)了，那么無論不同的類器官的細胞是否建立起了聯(lián)系，從宏觀上看，兩種情況看起來可能也沒有什么區(qū)別。為了檢驗不同類器官的細胞間是否建立起了聯(lián)系，研究人員從不同的角度出發(fā)，使用了很多手段。

以把大腦皮層類器官和脊髓類器官組裝到一起的大腦皮層–脊髓組裝體為例。一方面，研究人員用一種能夠發(fā)光的蛋白把大腦皮層類器官中的神經(jīng)元標記起來，他們隨后觀察到，這些發(fā)光的神經(jīng)元會向脊髓類器官中慢慢伸出“手”，并且把“手”伸到脊髓類器官中的神經(jīng)元附近。另一方面，這些科學家還用了一種類似于“爬樹”的方法來驗證兩個類器官的神經(jīng)元是否真的建立起了聯(lián)系，而負責“爬樹”的是一種在很多人眼中印象很不好的東西：狂犬病病毒。此前的科學研究發(fā)現(xiàn)，如果兩個神經(jīng)元之間存在神經(jīng)連接，那么當狂犬病病毒感染了下游的那一個神經(jīng)元后，病毒會從這個神經(jīng)元跨越到上游的那個神經(jīng)元，然后像爬樹一樣沿著上游神經(jīng)元的纖維，移動到神經(jīng)元的細胞體中（因為病毒需要在那里復制增殖）。帕斯卡實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)，在用狂犬病病毒感染大腦皮層–脊髓組裝體中脊髓的神經(jīng)元后，這些病毒確實能夠“爬”到大腦皮層類器官的神經(jīng)元中。

當然，最有說服力的證據(jù)還是觀察刺激大腦皮層類器官中的神經(jīng)元是否會引起脊髓類器官中神經(jīng)元的反應。研究發(fā)現(xiàn)，確實可以。更令人興奮的是，在把3種類器官組裝到一起后，這種大腦皮層–脊髓–肌肉的組裝體不僅可以存活超過十周以上，而且當刺激大腦皮層類器官中的神經(jīng)元時，就能使肌肉類器官出現(xiàn)劇烈的收縮！　這表明組裝到一起的3種類器官徹底連通了整個控制自主運動的神經(jīng)回路！

毫無疑問，利用這種組裝器官的方法，研究人員可以在更接近人體的狀態(tài)下研究發(fā)育過程以及各類疾病。在帕斯卡和同事看來，這種方法在未來將會有無可限量的應用前景。實際上，通過把中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同區(qū)域的類器官組裝成組裝體，科學家可以研究各種神經(jīng)回路中神經(jīng)信號的傳入、整合處理、傳出等各個過程，以及因為這些過程異常導致的各類疾病。

這并不是塞爾吉烏·帕斯卡第一次用類器官組裝出組裝體。實際上，是他的實驗室在2017年把人腦兩個不同區(qū)域的類器官組裝到一起，制造出了世界上第一個由兩個類器官元件組成的組裝體。在過去幾年間，他的實驗室不斷取得突破，不僅組裝出了各種類型的組裝體，而且一直在使用病人的細胞制造組裝體，探索神經(jīng)系統(tǒng)疾病的致病機理以及可能的治療方法。