把不可能变成可能：制造一个迷你大脑

南方周末特约撰稿　陈彬

科学家用干细胞培养出三种像小球一样的类器官，分别是大脑皮层、脊髓、骨骼肌，并将三者组装在一起。

塞尔吉乌·帕斯卡。

培养皿经过特殊的处理，为培养三维的类器官提供了绝佳的条件。

★通过把在实验室中培养出来的迷你版组织和器官组装到一起，美国科学家有史以来第一次构建出了一个能够控制自主运动的人的三维神经回路，这相当于在实验室里制造一个迷你大脑。

你感到有些饿了，看到桌上有一块巧克力，因此伸手把它拿过来，掰下一些放到嘴里。这个过程看似简单，其实却相当复杂：首先，你的视觉系统需要采集巧克力的视觉信号；在经过一些预处理后，这些信号会被传入你的大脑；在那里，大脑会把这些信号和其他信号进行整合计算，最终作出“吃掉它”的决定；最后，大脑中控制运动的区域（运动皮层）会发出指令，这些指令通过脊髓被传到控制相关肌肉的神经元，由这些神经元来控制肌肉的松弛和收缩，使你伸出手。

这其中任何一环如果出了问题，这个过程都可能无法完成。以最后一个环节为例，如果从运动皮

层到肌肉的这条神经信号传递通路（被称为神经回路）出了问题，那么人的自主运动能力就会受到影响。事实上，很多疾病都可能影响这个神经回路。为了搞清楚这些疾病的致病机理并寻找治疗方法，科学家一直都在试图以更贴近人体的状态来研究这些神经回路。

美国科学家最近在世界顶级生命科学期刊《细胞》杂志上发表了一项研究，通过把一些迷你版的组织和器官组装到一起，他们有史以来第一次构建出了一个控制自主运动的人的三维神经回路。领导这项研究的是斯坦福大学年仅38岁的干细胞生物学家塞尔吉乌·帕斯卡（Ser-giu Pa?ca），在过去的几年间，这名学界超新星的实验室不断构建出各种用于疾病研究的三维结构，为相关疾病的研究提供了有力的工具。他，是组装器官的人。

摆脱伦理的枷锁

在动物中，无论是低等的线虫、果蝇，还是高等的黑猩猩和人，都有一类被称为干细胞的细胞。这些细胞的一个主要功能是为机体提供源源不断的特化细胞：干细胞不断分裂，产生的一部分子代细胞会转变成各种特化的细胞（这个过程被称为分化），肌肉细胞、肝脏细胞、神经细胞，无不如此。但干细胞的“能力”也有高有低，有的是“全才”（全能干细胞），能分化成所有类型的细胞；有的“多才多艺”（多能干细胞），能分化成很多类型的细胞（实际上，最“多才多艺”的那些可以分化成几乎所有类型的细胞）；还有的则很“专一”（单能干细胞），只能分化成一类细胞。干细胞的这些特点使它们成为发育生物学等领域科学家的有力研究工具。

在一个群体中，“全才”往往是很稀少的，干细胞也不例外，只有胚胎发育非常早的时期的细胞才有全能性：受精卵分裂到32个细胞之前，所有的细胞都是全能干细胞，在这之后细胞就丧失了全能性。因此，在很长的一段时间里，研究者都使用“多才多艺”程度很高的人类胚胎干细胞作为研究工具。但这些细胞取自早期胚胎，因此引发了医学伦理方面的争议，严重束缚了相关研究领域的发展。

2006年，通过向小鼠的体细胞中引入4个基因，日本科学家山中伸弥成功把这些细胞诱导成了一类具有胚胎干细胞特征的细胞，他把这些细胞称为诱导多能干细胞。医学伦理的枷锁自此被解开，发育生物学、干细胞治疗等研究领域随后频频出现重大突破，山中伸弥也因为这一发现获得了2012年的诺贝尔生理学或医学奖。

培养皿中的器官

要探寻各种人类疾病的致病机理和治疗方法，最理想的方式当然是在活体的人身上进行相关的研究，但无论是出于科学伦理的原因还是人的高度复杂性，这样的研究很多时候都难于开展。即使是在实验动物上，有的问题也显得过于复杂，因此研究者常常会把问题简单化，以便从纷繁复杂的现象中厘清思路，寻找线索。

有了诱导多能干细胞这个强大工具，在过去十多年间，出现了一个新兴的领域：利用诱导多能干细胞，研究人员培养出了一个个尺度只有几毫米的迷你三维器官（被称为类器官），并用这些迷你器官来研究组织和器官的发育过程、相关疾病的致病原因以及可能的治疗方法。（诱导多能干细胞技术发明前有一些利用其他干细胞的类器官研究，但诱导多能干细胞技术发明后这个领域才迎来了爆发。）

生物体要发育出正常的器官，细胞之间必须不断交流，只有在周围环境提供的信息的引导下，相应的细胞才能一步一步组织成器官。用干细胞培养类器官模拟的正是这个发育过程：在正确的时间、正确的地点，为细胞提供正确的信号，使它们一步步地分化，并组织成类似器官的结构。经过十多年的努力，科研人员已经成功培育出了超过十种人类的类器官，这其中既有相对简单的唾液腺的类器官，也有更为复杂的肝、肺、肾、肠、脑的类器官。

与在培养皿中培养的细胞相比，这些类器官显然更贴合人体中的情况，因此能够为相关的研究提供更多的有效信息。以过去一年间横扫全球的新冠疫情为例，科学家已经用人的血管、肾、肺、肠的类器官对病毒感染人的机制进行了研究，并取得了一些进展。

用“小球”制造脊髓

在发表在《细胞》杂志上的这项新研究中，帕斯卡团队的科学家首先用人的诱导多能干细胞培养出了三种类器官，分别是大脑皮层、脊髓、骨骼肌的类器官。

虽然培养类器官的策略用“为细胞提供正确的信号”这样简单的一句话就能概括，但操作起来其实并不容易，研究人员只能在此前研究的基础上摸索究竟什么样的信号是正确的信号。以这项研究中培养脊髓类器官的过程为例，研究人员首先会把诱导多能干细胞转移到一种比较特殊的培养皿中。在常规的培养皿中，这些细胞能够紧紧地贴壁。而在这种特殊的培养皿中，培养皿经过特殊的处理，因此细胞的贴壁能力非常有限。这为培养三维的类器官提供了绝佳的条件：如果细胞贴壁太紧，那么这些细胞将只能聚集成一层二维的细胞“薄片”，有限的贴壁则使细胞可以聚集成三维的“小球”，如果条件适当，就能被培养成三维的类器官。

但聚集成一个个“小球”只是第一步，难度更大的是摸索出究竟要为这些干细胞“小球”提供什么样的信号，它们才能转变成迷你脊髓。在解剖结构上，高等动物往往都不是完全对称的，人也不例外，比如我们腹侧和背侧的结构和功能就都存在差异。这些差异是发育过程中一些关键的信号分子在身体不同区域的浓度差异导致的。比如，有的分子在应该发育成背侧的区域的浓度可能会比较高，而在应该发育成腹侧的区域的浓度比较低。通过读取这种浓度信号的“指令”，不同区域的细胞就会分化、发育成相应的组织和器官。但要决定这些发育模式，往往不是一种分子的浓度说了算的，而是由好几种分子的浓度搭配组合来决定的。这并不令人意外，毕竟动物不仅有背腹差异，还有头尾差异，而且不同区域开始发育的时间也有所不同，这些都需要有信号来引导细胞。

这种复杂性大大增加了摸索出合适信号的难度，帕斯卡实验室的研究人员不得不使用一种“笨办法”。基于此前的研究结果，这些科学家选择了3种分子，每种分子分别选用了2-3种浓度，然后把3种分子混合到一起（每种分子选用一个备选浓度），作为发育的指令提供给这些干细胞“小球”。使用这种排列组合的摸索方式，研究人员逐一尝试了12种方案，并分析了干细胞“小球”在这些信号的引导下的发育情况。分析结果发现，在其中一种浓度搭配的引导下，干细胞“小球”能够发育成具有脊髓特征的类器官，这也是研究人员第一次制造出人脊髓的类器官。

由于科学家此前就已经摸索出了制造大脑皮层类器官和肌肉类器官的方法，因此借助这些方法，帕斯卡实验室的研究人员手中就有了整个自主运动神经回路的所有3种元件，而且这些类器官都非常稳定，可以存活数月之久。问题的关键现在转变成了如何把它们组装到一起。

组装器官

你也许会觉得要把这3种类器官组装到一起，难度会非常大。但帕斯卡实验室的研究人员却发现，在恰当的培养条件下，这些类器官都很善于“交际”，只需要为它们提供一点点便利，它们就能组装到一起：把这些类器官贴在一起培养！　使用这种方法，首先把两种类器官组装到一起，然后再把第三种类器官组装上去，就能组装出这个控制自主运动的神经回路。帕斯卡把这种不同类器官组装到一起的结构称为组装体（assembloid）。

当然，这只是一种事后诸葛亮的说法，毕竟，既然已经把它们贴在一起培养了，那么无论不同的类器官的细胞是否建立起了联系，从宏观上看，两种情况看起来可能也没有什么区别。为了检验不同类器官的细胞间是否建立起了联系，研究人员从不同的角度出发，使用了很多手段。

以把大脑皮层类器官和脊髓类器官组装到一起的大脑皮层–脊髓组装体为例。一方面，研究人员用一种能够发光的蛋白把大脑皮层类器官中的神经元标记起来，他们随后观察到，这些发光的神经元会向脊髓类器官中慢慢伸出“手”，并且把“手”伸到脊髓类器官中的神经元附近。另一方面，这些科学家还用了一种类似于“爬树”的方法来验证两个类器官的神经元是否真的建立起了联系，而负责“爬树”的是一种在很多人眼中印象很不好的东西：狂犬病病毒。此前的科学研究发现，如果两个神经元之间存在神经连接，那么当狂犬病病毒感染了下游的那一个神经元后，病毒会从这个神经元跨越到上游的那个神经元，然后像爬树一样沿着上游神经元的纤维，移动到神经元的细胞体中（因为病毒需要在那里复制增殖）。帕斯卡实验室的研究人员发现，在用狂犬病病毒感染大脑皮层–脊髓组装体中脊髓的神经元后，这些病毒确实能够“爬”到大脑皮层类器官的神经元中。

当然，最有说服力的证据还是观察刺激大脑皮层类器官中的神经元是否会引起脊髓类器官中神经元的反应。研究发现，确实可以。更令人兴奋的是，在把3种类器官组装到一起后，这种大脑皮层–脊髓–肌肉的组装体不仅可以存活超过十周以上，而且当刺激大脑皮层类器官中的神经元时，就能使肌肉类器官出现剧烈的收缩！　这表明组装到一起的3种类器官彻底连通了整个控制自主运动的神经回路！

毫无疑问，利用这种组装器官的方法，研究人员可以在更接近人体的状态下研究发育过程以及各类疾病。在帕斯卡和同事看来，这种方法在未来将会有无可限量的应用前景。实际上，通过把中枢神经系统不同区域的类器官组装成组装体，科学家可以研究各种神经回路中神经信号的传入、整合处理、传出等各个过程，以及因为这些过程异常导致的各类疾病。

这并不是塞尔吉乌·帕斯卡第一次用类器官组装出组装体。实际上，是他的实验室在2017年把人脑两个不同区域的类器官组装到一起，制造出了世界上第一个由两个类器官元件组成的组装体。在过去几年间，他的实验室不断取得突破，不仅组装出了各种类型的组装体，而且一直在使用病人的细胞制造组装体，探索神经系统疾病的致病机理以及可能的治疗方法。