培養皿中的“大腦”:慢慢增長的智慧
2017年01月23日10:03

  來源:醉心科學微信公眾號

  一直以來,人們傳統印象中的培養皿都是培養細菌或者細胞的載體,但是在2013年夏天,各大社交網絡都爭相報導科學家們在培養皿中培養出了迷你的人類大腦。而與此同時,迷你心臟,迷你肝臟等等報導也層出不窮。這些只在科幻小說中出現的情節成真了?普通讀者們議論紛紛,甚至有人猜測雪萊夫人筆下的弗蘭肯斯坦的故事即將上演。

  媒體報導自然不乏駭人聽聞的噱頭,但是科學研究的事實又隱藏在高冷的論文背後,這個時候就需要科普這一赫爾墨斯為大家答疑解惑了。

  其實不論是報導當中的迷你大腦或者是迷你心臟等等,都有一個共同的名字,叫做類器官體,英文名字是organoid,科學的定義是“一種由幹細胞或者器官祖細胞發育得到的器官特異性的細胞集合體,這種細胞集合體能夠模擬在體器官的細胞分化和空間構成”。簡單來說,就是使用具有多潛能的細胞,培養出與在體器官類似的一個個“小球”。當然了,這些小球直徑最大也不超過幾毫米,和在體器官還是不可相提並論的。

  由於類器官體是“小球”,大家不難想像,類器官體都是一個個貨真價實的“三維”物體。傳統的方式大多是貼壁培養細胞,這就限定了細胞的生長延伸方向只能是平行於培養皿底部,得到的自然是“二維”細胞或者複製,與生物在體的三維發育,還是有很大的距離的。類器官體培養方式是不貼壁的懸浮培養法,得到的小球無論在平行或者垂直於培養皿底部的方向上都可以生長延伸,這種方法就有助於我們在體外模擬體內的細胞發育,更好的獲得與器官相類似的結構。

  研究者們的“腦洞”

  其實類器官體(organoid)的說法已經由來已久,培養方法也並非最近才被人們發現。根據pubmed上的搜索結果顯示,類器官體這一說法最初在1946年就已經被使用了。而類器官體培養的雛形則在1907年就已經出現,當時威爾遜為了研究細胞的識別機製,對海綿進行了機械解離,之後又讓這些機械解離之後的海綿碎片自己重新再聚集。

  雖然威爾遜的研究目的不是為了在體外生成類器官體,但是這種“解離之後再聚集”的實驗方法被後續的研究者們繼承了下來。之後的研究者們為了更加方便的研究器官的發育細節,會在體的分選出仍舊保持了形成器官能力的被我們稱為器官祖細胞的細胞們進行離體的培養。同時研究者們為了能夠比較準確的模擬器官的在體發生過程,選擇了再聚集的懸浮培養方法。

  當然了,通過生物學研究可以達到治療疾病的目的是科研的終極目標之一。在研究的過程中,也有研究者提出是否可以將這一培養得到的“小球”們用於醫療領域。但是由於當時條件有限,培養使用的細胞大多是來自於在體篩選所得的細胞,無論是細胞的純度還是穩定性都有一定的不足,所以這些想法也就只限於研究者們的“腦洞”當中了。

  與任何一項技術相類似,繁盛一時的類器官體研究由於新的研究方式不斷出現而逐漸被人們淡忘。

  新的時代,新的機遇

  2006年,一個影響深遠的細胞技術閃亮登場,並且在誕生後的第六年就迅速獲得了諾貝爾生理和醫學獎――細胞重編程技術。

  大家都知道,哺乳動物個體都是由受精卵發育而來的。受精卵以及胚胎發育早期的部分細胞被稱為幹細胞,這類細胞在發育中形態功能不斷髮生特異性的改變,最終形成生物個體中所有類型的細胞,這個過程也被稱為分化。一直以來,人們都認為生物體中的已經分化完全的細胞不再具有重新成為幹細胞的能力。

  細胞重編程技術證明通過調節基因表達,生物體內已經完全分化的細胞可以返老還童,重新形成多潛能的幹細胞。

  這樣誘導獲得的幹細胞能否真的分化成為所有的體細胞呢?帶著這樣的疑問,研究者們精心設計了誘導多功能幹細胞分化的每一個步驟,最終果然不負眾望,多篇文獻都證明這種幹細胞可以分化得到人們希望的細胞類型。

  當然,為了保證細胞分化過程中條件穩定可控,這些分化都是在“二維”條件下貼壁完成的。如果使用類器官體的培養方式進行分化呢?研究者們卻在這個問題面前望而卻步,認為多能幹細胞太靈活,若是使用三維的培養方法,細胞與細胞之間的相互干擾,勢必會影響分化的效率,最終只能得到“四不像”的結果。

  紙上得來終覺淺,須知此事要躬行。雖然有著以上這些顧慮,仍舊有研究者義無反顧的進行了嚐試。第一個吃螃蟹的人就是日本研究者G井芳洌Yoshiki Sasai)教授。G井教授在2008年發表的第一篇文章中研發了一種被他稱為SFEBq(serum-free floating culture of embryoid body-like aggregates with quick reaggregation,無血清懸浮培養快速再聚集擬胚體樣細胞聚集體)的特殊方法對胚胎幹細胞進行誘導。

  這種方法的名字晦澀難懂,簡單來說就是通過懸浮培養由幹細胞聚集形成的“小球”(被稱為擬胚體,embryonic body),並在早期適當的加入一定量的生長因子誘導(而非在細胞培養全程進行強製性的誘導),細胞的聚集體可以自發的形成與皮層類似的結構。

  雖然僅僅是皮層類似的結構,“小球”們還不具有其他的腦部結構,同時G井教授也並未在文中提到類器官體一詞,不過大家還是公認,這篇文章是新型類器官體研究的開山作之一。

  方興未艾的類器官體研究

  得到這一結果的G井教授十分興奮,並且對於是否能夠將這種方法應用於更多生物體腦區的體外建立躍躍欲試。

  在2011年和2012年,G井教授連續發表了兩篇文章,介紹了他分別使用小鼠和人類胚胎幹細胞通過SFEBq方法獲得了與視網膜類似的結構。這兩篇文章的亮點不僅僅在於證明了SFEBq方法在神經系統類器官體研究上的普適性,更在結果當中指出雖然人類視網膜類似結構與小鼠的培養方式相類似,但是人幹細胞分化所需時間更長,分化出的結構體積更大,同時存在更多類型的細胞。這一結果充分說明了,只要使用了恰當的分化條件,類器官體的分化可以在一定程度上可以很好的模擬器官的在體發育過程,為部分複雜疾病的發病機製提供線索。

  不知是否是受到G井教授08年工作的啟發,還是真如各大新聞報導中說的有如神助的巧合,在2013年夏天,Juergen A。 Knoblich教授及其實驗室的博士後Madeline Lancaster在自然雜誌上發表了一個轟動性的結果,他們通過特定的分化條件,得到了具有視網膜,背側皮層,腹側前腦,中腦-菱腦分界,脈絡叢和海馬等區域的類大腦器官體,並且這些區域的發育也具有與在體類似的過程。看到這麼多的大腦結構都可以在他們的培養當中以具有一定空間特異的方式重現,人們不禁驚呼果然是“迷你大腦”呀。

  “迷你大腦”不僅可以在時空上很好的模擬大腦多個區域的分化過程,Lancaster博士還在文章中巧妙利用了誘導多功能幹細胞的特性,通過對頭小畸形病人的誘導多功能幹細胞進行誘導,發現他們得到的類腦器官可以較好的作為頭小畸形疾病的研究模型,同時可以對其進行模擬治療。

  當然了,如火如荼的類器官體研究不僅僅在神經科學領域取得了很多突破性的成果,在生物體的諸如消化系統,泌尿系統的器官模擬上也取得了許多重大成果。

  類器官體的未來前景

  自2008年以來,類器官體的研究愈來愈被人們所重視,原因當然不僅僅在於類器官體的模擬能力,可以很好的有助於人們對器官發育的進一步瞭解,更重要的原因是類器官體在疾病治療方面的潛能逐漸被發掘。

  現今的疾病研究,很大一部分依賴於動物模型的建立,但是很多疾病由於動物模型難以獲取或者動物模型與人類之間的差異,導致研究的困難。誘導性多功能幹細胞與類器官體培養方式相互結合,可以很好的解決以上問題。當然了,這也就要求人們發現更多類型的類器官體的培養方法。

  同時,幹細胞治療的一大方向就是進行幹細胞移植治療,但是移植細胞的成活效率還較低。有研究者也提出是否能夠直接進行類器官體移植,保證移植細胞的活性。已經有實驗室在進行類器官體中生成血管的嚐試,期待使用類器官體進行損傷部位的直接重建。

  雖然類器官體至今取得了許多令人驚喜的進展,但是依舊面臨著許多亟待解決的問題,例如類器官體存在分化效率較低,得到的細胞純度不夠等問題。大家都期待研究者們能夠在不久的將來將這些困難一一克服,最終達到疾病治療的目的。

  參考文獻:

  1.using organoid technologies。 Science 345, 1247125, doi:10.1126/science.1247125 (2014)。

  2.Clevers, H。 Modeling Development and Disease with Organoids。 Cell 165, 1586-1597, doi:10.1016/j.cell.2016.05.082 (2016)。

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  4。 Eiraku, M。 et al。 Self-organizing optic-cup morphogenesis in three-dimensional culture。 Nature 472, 51-56, doi:10.1038/nature09941 (2011)。

  5。 Nakano, T。 et al。 Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs。 Cell stem cell 10, 771-785, doi:10.1016/j.stem.2012.05.009 (2012)。

  6。 Lancaster, M。 A。 et al。 Cerebral organoids model human brain development and microcephaly。 Nature 501, 373-379, doi:10.1038/nature12517 (2013)。

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