Only Perception: 科學家在試管中成功培養「人腦」

2013-08-29

科學家在試管中成功培養「人腦」

Brains on demand: Scientists succeed in growing human brain tissue in 'test tubes'
http://medicalxpress.com/news/2013-08-brains-demand-scientists-human-brain.html

2013.08.28

(Medical Xpress) -- 複雜的人腦組織已成功在奧地利實驗室所建立的三維培養系統中生長。在當期 Nature 所描述的方法讓多能性幹細胞（pluripotent stem cells）發展成大腦類器官（cerebral organoids，腦性類器官）-- 或稱「迷你腦（mini brains）」 -- 那由數種截然不同的腦部區域構成。在知名的奧地利科學會分子生物科技研究所有限公司（IMBA of the Austrian Academy of Sciences (OeAW)）的科學家並非使用所謂的成形生長因子（patterning growth factors），而是微調了生長條件並提供一個有利的環境，才能辦到這件事。結果，來自幹細胞的內在線索（intrinsic cues）將發育導向不同的互依性腦組織（interdependent brain tissues）。科學利用「迷你腦」也能夠塑模出人類神經失調的發展並確認其根源 -- 為期望已久的人腦模型系統開闢了種種途徑。

人腦的發育仍是生物學中的最大謎團之一。源自於簡單的組織，它發育成人類身上已知最複雜的自然結構。人腦發展與相關人類失調的研究相當困難，因為沒有科學家能成功建立起生長全腦的三維培養模型。現在，由 IMBA 的 Dr. Jurgen Knoblich 所領導的研究小組，改變了這一點。

腦袋大小是個問題

以人類胚胎幹細胞株與 iPS 細胞開始，該小組確認了幫助幹細胞分化成數種腦組織的生長條件。在使用神經誘發與分化的培養基時，該小組能避免使用成形生長因子條件，那通常用來從幹細胞產生特定細胞本體。Dr. Knoblich 解釋這種新方法："我們修改一種已確立的方法來產生所謂的神經外胚層（neuroectoderm），神經系統即源於這層細胞。此組織的碎片接著被維持在 3D 培養器內，且內嵌在一種特殊的膠質中，那為複雜的組織生長提供了一種支架。為了要強化營養吸收，我們之後將膠質摻雜物轉移到一個旋轉式生物反應器。在三到四週內，明確的腦部區域就形成了。"

在 15 - 20 日後，所謂的「大腦類器官（cerebral organoids）」形成，那由連續的組織（neuroepithelia，神經上皮細胞）環繞在一個裝滿液體的空腔所構成，那看起來像一個腦室（cerebral ventricle）。

在 20 - 30 日後，明確的腦部區域，幫括大腦皮質、視網膜、腦膜以及脈絡叢（choroid plexus）發展出來。二個月後，迷你腦達到最大尺寸，不過它們能無限期地（目前已有 10 個月）存活在旋轉式生物反應器內。然而，進一步的生長並沒有達成，很可能因為缺乏循環系統，導致迷你腦的核心缺乏養分與氧氣。

小腦症（小頭畸形）與迷你腦

這種新方法在為人類腦失調建立模型系統上亦提供很大的潛力。這種模型的需求有其迫切性，因為一般所用的動物模型複雜性不怎麼高，而且無法充分重現人類疾病。藉由分析小腦症（一種人類遺傳失調，腦袋大小會大幅縮水）的發作，Knoblich 的小組現在證明迷你腦具有足夠潛力成為一種人類模型系統。從小腦症患者的皮膚組織產生 iPS 細胞，科學家能藉此生長出受此失調影響的迷你腦。一如預期，源自這位患者的類器官，長成較小的尺寸。進一步分析導致一項令人吃驚的發現：雖然神經上皮組織比未受此症影響的迷你腦小，卻能夠觀察到神經纖維生長（neuronal outgrowth）的增加。

這導致一種假說：在小腦症病患的腦部發育期間，過早發生的神經分化，犧牲了幹細胞與前驅細胞，那原本能促使腦部在尺寸上有更加顯著的生長。進一步的實驗亦揭露，幹細胞分化方向上的變化也許是這種失調的起因。

"除了有潛力為人腦失調的形成提供新洞見外，迷你腦亦將使製藥與化學產業產生很大的興趣，" Dr. Madeline A. Lancaster 解釋，團隊成員，以及本論文的第一作者。"它們允許對付腦部缺陷及其他神經失調之治療方法的測試。此外，他們也將能夠分析特定化學藥品對於腦部發育的效應。"

※ 相關報導：

＊ Cerebral organoids model human brain development and microcephaly
http://dx.doi.org/10.1038/nature12517

Madeline A. Lancaster, Magdalena Renner, Carol-Anne Martin,
Daniel Wenzel, Louise S. Bicknell, Matthew E. Hurles,
Tessa Homfray, Josef M. Penninger, Andrew P. Jackson,
Juergen A. Knoblich.
Nature (2013)
doi: 10.1038/nature12517