「類人腦」技術已在茲卡病毒蔓延全球時派上用場

「類人腦」技術已在茲卡病毒蔓延全球時派上用場
Photo Credit:科學人
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人腦的獨有特質,可能正是齧齒類動物研究無法找到思覺失調症、癲癇以及自閉症等疾病的有效療法的原因。在認知到齧齒類動物與人類的差異後,科學家開始尋找更多不同的實驗方法以提供有意義的資訊。我的實驗室最近發展出一種令人興奮的方法:在培養皿中具體而微培養出發育中的大腦。

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撰文:諾布里奇(Juergen A. Knoblich)
翻譯:謝伯讓

我們之所以為人的重要關鍵,都存在於那1.4公斤的大腦中;那裡是我們思想發展的地方、是我們感受愛恨的器官,也是人類最具創意與最邪惡想法的起源之處。這個胡桃形狀的結構乃是大自然所產生的最複雜的器官,它在出生時就擁有大約860億顆神經元,這些神經元必須在正確的時間生成、在正確的時間移動到正確的位置,並且以正確的方式相連,如此才能順利運作。精確了解人腦如何發育與運作,是現代生物學的最大挑戰。自神經科學誕生以來,我們對於人腦的知識很多來自小鼠或大鼠等動物實驗。科學家認為動物實驗很合理,因為小鼠腦與人腦擁有共同結構:都具有許多相同型態的神經元,也仰賴幾乎相同的腦區進行心智運算。但是,人類和齧齒類動物有一個關鍵差異:小鼠大腦表面平滑,而人腦表面卻有複雜皺摺。

對一般大眾而言,這種差異似乎沒什麼。但神經生物學家相信,皺摺對於人腦的影響極大,皺摺可讓頭殼內容納更多神經元,而且腦部皺摺也是所有高等智能動物(例如猴子、貓、狗和鯨)擁有的特徵。演化生物學家發現,皺摺其實是由人類與小鼠間的另一個差異點演變而來:大腦中的許多神經元都是由一組特定的前驅細胞轉變而來,而這些前驅細胞在小鼠腦中數量極少。這種差異或許可解釋,為什麼造成人類嚴重神經疾病的常見遺傳變異,轉殖到小鼠時並不會產生太大影響。如果那些只出現於人腦中的結構或細胞型態是這些遺傳變異的影響目標,那麼上述的研究註定失敗。事實上,人腦的獨有特質,可能正是齧齒類動物研究無法找到思覺失調症、癲癇以及自閉症等疾病的有效療法的原因。

在認知到齧齒類動物與人類的差異後,科學家開始尋找更多不同的實驗方法以提供有意義的資訊。我的實驗室最近發展出一種令人興奮的方法:在培養皿中具體而微培養出發育中的大腦;這種統稱為「類器官」(organoid)的人腦結構模型使神經科學家能獲得無法從小鼠實驗中獲得的資訊,例如研究人員可以觀察培養皿中的類人腦(或稱迷你腦)在接觸到茲卡病毒的反應(這種病毒感染孕婦後會干擾胎兒的大腦發育),或者也可透過基因改造的方式來研究大腦受到神經疾病影響的結果。

模擬人腦

我的實驗室從2012年開始研究類器官,當時實驗室的一位博士後研究員藍卡斯特(Madeline A. Lancaster)發明了一種方法,可以在培養皿中重現人類胎兒發育至10週大時大腦形成的關鍵過程。我們的方法仰賴多能性(pluripotency)幹細胞的特殊性質;多能性幹細胞出現在早期胚胎中,在適當的狀態下培養可發展成任何一種組織,例如神經元、肌肉、血液、骨骼或任何其他細胞型態。一般胎兒的多能性幹細胞只能保有數天多能性,但若使用特殊的培養方式,研究人員可讓這些細胞永久保持多能性狀態,最後使其轉變成任何一種想要的細胞型態。

一開始我們把多能性幹細胞浸泡在含有幹細胞形成神經外胚層所需的各種養份的營養液中,當細胞聚集成球形的胚樣體(embryoid body)後,把它嵌入一種基質膠(matrigel)中;這種膠是從小鼠的軟骨瘤細胞中取得,和胚胎細胞坐落的薄膜非常類似。基質膠含有豐富物質可刺激細胞分裂並避免細胞死亡,也能提供堅固的骨架讓細胞附著,同時還有足夠的可塑性讓細胞改變形狀。實驗結果非常驚人:胚樣體在基質膠中自由成長,形成了白色球狀組織,像極了人類胚胎時期的腦。幹細胞接觸到可誘發人類胚胎大腦發育的適當生化訊號後,會發展出與人類前腦(負責高階心智活動)完全一樣的型態:含有皮質(巨大的外層皺摺結構)以及脈絡膜(產生腦脊髓液的組織)。我們還發現一些其他結構,可以在發育中的大腦內引導細胞移動到適當位置,例如內側與外側神經節隆起,會協助引導可抑制神經元活動的細胞(中間神經元),而海馬回則與記憶形成有關。

發育中「類人腦」的細胞排列方式,與8~10週大的人類胚胎大腦完全相同。在某些罕見案例中,類人腦甚至會長出小視杯(eyecup),也就是內含色素的凹陷組織型態,像極了人類眼睛剛成形時的結構。此外,就像發育中的胚胎大腦一樣,這些細胞會分裂並演變成各種可以在胚胎中發現的神經元。神經元還會延伸出軸突(用來與其他神經元接觸以傳送訊息的神經纖維),而且神經元也會從一個區域遷移至另一個區域,方式就和胚胎神經元的移動過程十分類似,透過仔細觀察,我們將有機會發現神經元的遷移如何出錯,類似罹患疾病的人腦發生的病理機制。

站在巨人肩膀上

在培養皿中製造生物組織並不是新想法。就像大多數的科學發現一樣,類器官風潮也是建立在多年來的前導研究上,其中有些研究甚至可回溯至一個世紀前。早在1907年,美國動物學家威爾森(Henry Wilson)就已經發現,某些較原始的動物(例如海綿)被打碎成單細胞之後能夠重新自我組合,這告訴我們大腦可能也擁有自己組合各部件的能力。1939年動物學家霍特夫萊特(Johannes Holtfreter)發現,青蛙胚胎中的各種細胞被打散後,會重新聚集並回復原本形狀。這項結果引發1980年代一連串關於「再聚集」(reaggregation)的研究,科學家發現,複雜的動物器官例如視網膜或甚至大腦皮質,都可在實驗室中匯集各種細胞型態再聚集。

2006~2010年的「再聚集」實驗結果啟發了日本已故科學家笹井芳樹(Yoshiki Sasai),他率先使用多能性幹細胞來產生神經系統,其中又以人類視網膜最為人所知。事實上,我們的類人腦技術就是融合了笹井芳樹以及荷蘭烏特列茲大學的克萊弗斯(Hans Clevers)發展的創新方法(後者同時使用幹細胞和基質膠建立一套可以製造腸、胃甚至肝和胰臟的組織培養系統)。除了從這些早期研究中學習,我們還採用了最近才發展出來的一種足以澈底翻轉生醫領域的新技術,也就是日本京都大學諾貝爾獎得主山中伸彌(Shinya Yamanaka)所研發的「再程式化」(reprogramming)技術。

透過一組簡單的基因操控,成熟的體細胞就可再程式化變回多能性幹細胞,而且包括皮膚細胞和血液細胞等幾乎所有種類的細胞都可如此。由皮膚或血液轉化成的幹細胞接著可以變成各種型態的腦細胞,並進一步發育為類人腦,這項技術可避免使用胚胎細胞。

由於病人細胞內的基因缺陷影響類人腦的方式應該會和它影響發育中胚胎的方式一樣,因此透過再程式化,我們就能比較遺傳疾病患者與健康成人細胞所生成的類人腦的差異,以找出疾病背後的機制。事實上,我們已經使用類器官技術來研究小頭症。我們發現,小頭症病患的體細胞所培養出的類人腦比正常人腦小很多。因為可以無限制培養病患的細胞,我們可仔細分析發育中胎兒出現小頭症的一連串分子事件。其他的大腦疾病原則上也能透過相同方式進行研究:使用病人細胞來培養類人腦,讓神經科學家進一步了解思覺失調症、癲癇和其他疾病的大腦如何在形成時發生錯誤,這些研究都不可能在動物模型中進行。

透過再程式化,以健康成人體細胞培養出來的類人腦也很有用。的確,這項技術已經在茲卡病毒蔓延全球時派上用場。許多人懷疑,懷孕婦女可能是因為感染了茲卡病毒才會產下小頭症嬰兒。有好幾間研究類人腦的實驗室(先是巴西、後是美國)都發現,茲卡病毒確實會導致小頭症,如果不是這項新技術,茲卡病毒和小頭症的關係就只是一項有待驗證的假說而已。當類人腦受到茲卡病毒感染後,其中的神經元會死亡,導致比未受感染的對照組類人腦小很多,就如同以小頭症病患的體細胞所培養出的類人腦。

本文獲《科學人雜誌》、《科學人粉絲團》授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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