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科学家利用干细胞培育大脑类器官

发布时间:2020-01-14 19:32:13 阅读: 来源:PH计厂家

据美国有线电视新闻网(CNN)29日报道,借助于干细胞,科学家已经成功培育出跳动的心脏组织、气管和膀胱。现在,奥地利科学家又在培育人体器官的道路上向前迈进了重要一步—利用干细胞这种可编程细胞培育出迷你大脑。确切地说,他们培育的是“大脑类器官”。这种只有豌豆大小的类器官构成了人类大脑组织。借助于类器官,科学家能够解答与大脑发育以及最初发育阶段出现的紊乱有关的一系列重大疑问。

研究论文主执笔人、奥地利科学院尤尔根-科诺布里奇表示,利用干细胞培育的迷你大脑并不是功能正常的大脑,就像是一辆发动机放在车顶或者车轮放在引擎罩上的汽车,无法驾驶。不过,这仍旧是一项重大科研成就。

科学家将他们培育的人造器官称之为“大脑类器官”。这些只有豌豆大小的器官构成了人类大脑组织。通过对大脑类器官进行研究,科学家能够解答与大脑发育以及最初发育阶段出现的紊乱有关的一系列重大疑问。研究发现刊登在《自然》杂志上。

研究论文主执笔人、奥地利科学家分析生物科技研究所研究员玛德丽娜-兰卡斯特在27日举行的新闻发布会上指出,这些类器官的构成与一个9周或者10周大的胚胎的大脑类似。研究中,兰卡斯特和同事共培育了数百个类器官。在发育初期,人类大脑的一些主要区域以及类似中脑和后脑等区域已经拥有可辨认的特征,包括背侧皮层、腹侧前脑以及产生脑脊髓液的脉络丛。拉纳卡斯特和同事指出他们在所培育的迷你大脑的同样区域也发现了这些特征。

不过,这些区域无法像一个正常大脑一样被自然而然地“植入”干细胞模型。兰卡斯特说:“在正在发育的胚胎中,你会看到这些不同区域并非以同样的方式组织。”类器官缺少9周大人类胚胎大脑的一些确定特征,例如与运动有关的小脑。此外,在这种类似大脑的结构中,科学家也极少发现对记忆至关重要的海马状突起。

研究人员利用人类胚胎干细胞和诱导性多功能干细胞进行这种研究。这两种干细胞都有能力发育成身体的任何部位。不过,使用胚胎干细胞进行研究引发巨大争议,原因在获取干细胞的方式。从4天或5天大的胚胎上提取干细胞后,胚胎便被毁掉。使用诱导性多功能干细胞则没有这种争议,因为科学家通常利用皮肤细胞进行培育,采用一种“化学浴”将其转化成类似一个发育中胚胎的状态。

科诺布里奇指出利用胚胎干细胞和诱导性多功能干细胞培育的类器官并没有明显差异。研究人员发现他们培育的类器官具有可变性,一些他们希望研究的大脑区域并未在类器官中出现。兰卡斯特通过使用生长因子(刺激细胞增殖的物质)的方式引导一些类器官内的区域发育。在尝试让迷你大脑生长出更多背侧皮层时,她吃惊地发现人为干预下生长出的背侧皮层数量不及自然发育。兰卡斯特说:“我们认为不同区域之间的"交流"—类器官不同大脑区域之间的通讯—对每一个个体区域的发育都至关重要。”

研究人员利用类器官这个模型对神经发育疾病小头畸形进行研究。他们最感兴趣的大脑区域是背侧皮层,这一区域最容易受这种疾病影响。研究人员利用一名患有遗传性小头畸形的患者身上提取的细胞培育一些类器官,而后将其与利用健康参与者的细胞培育的迷你大脑进行比较。在利用小头畸形患者细胞培育的类器官中,转化成神经细胞的干细胞—这一过程被称之为“分化”—数量超过利用健康参与者细胞培育的迷你大脑。波恩大学生命与大脑研究中心的奥利弗-布鲁斯特指出这说明小头畸形患者的神经细胞过早分化,可能就是这种疾病背后的机制。

奥地利科学家进行的此项研究建立在其他研究基础之上,其他研究尝试对干细胞培育的大脑组织进行建模。2008年进行的一项研究指出,老鼠胚胎干细胞可以转化成“神经细胞波”。2012年进行的一项研究发现,能够利用老鼠和人类的胚胎干细胞培育原始眼结构和成层视网膜。研究论文作者指出他们并没有培育完整尺寸人类大脑的计划。科诺布里奇表示:“很明显,我们的系统并不适于培育完整大脑。此外,这也不是我们的研究目标。利用干细胞培育具有意识的大脑结构可能不具有可能性,同时也不是我们想要的。”

虽然培育类器官是向前迈进的重要一步,但研究人员距离为中枢神经系统内的神经回路进行建模仍有很长的一段路要走。科诺布里奇指出功能正常的神经回路需要具备感觉输入。根据一项经典实验,视皮层无法在没有来自眼睛的感觉输入情况下正常组织。

对于利用干细胞培育大脑结构,而后用于取代患者受损部位的前景,科诺布里奇也持一种悲观态度。大脑是一个异常复杂的器官,各区域之间联系非常紧密,因此很难通过置换的方式修复任何特定部位。一种更具有发展前景的方式是,直接将干细胞植入患者大脑,让它们自行组织。不过,这种研究的未来前景仍充满不确定性。布鲁斯特并没有参与这项研究。他指出这是一项非常引人注目的研究,能够为发育生物学和生物医学研究提供重要工具。(新浪)

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