脑类器官研究进展和伦理问题研究*

方彩霞,王振运,白晓东

(1 庆阳市人民医院药剂科,甘肃 庆阳 745000;2 庆阳市人民医院,甘肃 庆阳 745000;3 延安大学咸阳医院,陕西 咸阳 712000)

类器官是多能干细胞、成体干细胞或袓细胞在含有典型基质胶的体外三维(three-dimensional,3D)培养体系中,经过自我分化、组装,形成具有类似体内相应器官显微构造和生理功能的微型人源性器官。截至目前,已开发出以下几种类型的类器官:消化系统(胃肠道、食管、胰腺、肝脏)、肺、乳腺、心脏、肾脏、前列腺、角膜,以及脑类器官等[1]。通过成体细胞经诱导形成多能干细胞(induced pluripo-tent stem cell,iPSC),使用体外培养的3D神经组织称为“脑类器官”,目前已经应用到阿尔茨海默病、脑肿瘤、自闭症和小脑畸形以及寨卡病毒感染相关的神经发育和疾病模型的研究中[2]。虽然目前脑类器官在短期内不太可能产生意识,但随着脑类器官技术的不断进展,有研究者开始担忧脑类器官本身可能具有意识、认知和思维等各种心理活动,正如哲学家Hilary Putnam于1981年提出的“缸中之脑”思想实验[3]。此外,当前脑类器官的功能评估方法也不足以检测到可能存在的意识。而随着功能评估方法不断改进,在将来,一种成熟的方法可能很快就能证明脑类器官具有特定类型的心理活动。基于此,本文主要阐述脑类器官的技术研究进展和随之产生的伦理困境,并就如何应对和妥善处理伦理问题提出思考和建议,以期对未来脑类器官研究工作开展有一定的启示和借鉴。

1 脑类器官的研究进展

脑类器官是主要是由人胚胎干细胞(embryonic stem cell,ESC)和iPSC在3D条件下培养分化而来,可以通过添加与神经发育相关的调控信号,促进细胞培养产生出类似脑部发育、生理、病理和药理等特征,其细胞构成和解剖结构与大脑非常相似。这为研究大脑发育、神经和精神疾病、药物筛选提供了良好的模型。随着脑类器官技术研究的不断深入,越来越多的专家在关注技术进步本身外,也在积极探索通过功能评估方法检测脑类器官可能存在的意识。

1.1 脑类器官的培养技术研究进展

2005 年,Yoshiki Sasai领导的研究小组在脑类器官的研究中取得了开创性的成果。该小组率先通过细胞聚集悬浮培养法使用小鼠ESC成功地在体外建立了模仿小鼠大脑的3D神经组织。另一课题组在2008年改进了脑神经组织分化方法,利用人类ESC进行3D分化,使得诱导形成脑组织成为可能。在这项研究中,该小组利用胚胎学的发现来建立一种悬浮培养方法,通过这种培养方法试图重现神经发育过程。此后,该小组使用小鼠和人类胚胎干细胞诱导许多神经区域的3D分化,包括大脑皮层、下丘脑、腹侧端脑、视杯、垂体前叶、小脑、海马体和丘脑。这种培养方法最大的优势在于可实现复杂组织的长期3D培养[4]。

有研究者报告了诱导人类 ESC和诱导人类iPSC以产生细胞聚集体,其中包括来自多个神经区域的组织,例如大脑、神经视网膜和脉络丛,该研究小组将其称为脑类器官,并提议使用来自患者的iPSC作为小脑畸形的疾病模型[5]。从那时起,脑类器官的研究既侧重于探究大脑发育过程和基因表达方式,也侧重于构建大脑相关的疾病模型。滕紫薇等[6]发现差异表达基因AKR1C3、KCNJ10可能参与萝卜硫素促进大脑类器官前额发育和神经元分化,这有助于为萝卜硫素改善精神疾病和神经退行性疾病患者的认知和症状提供证据支持。此外,人类iPSC源脑类器官能模拟胎儿早期大脑发育,有研究者用器官芯片技术建立多种人类iPSC源脑类器官芯片病理模型,该芯片可原位模拟iPSC胚体形成和分化,同时注入微流体以模拟血管营养供给和外界物质刺激等过程,实现长期类脑培养及外界慢性刺激,这样可进一步结合组织学和分子生物学方法研究病理分子机制[7]。综上所述,通过阐明各种大脑相关疾病的发病机制和进行药物筛选,脑类器官技术有可能为一些长久以来难以攻克的大脑相关疾病如阿尔茨海默病、肌萎缩侧索硬化症、精神疾病和胎儿脑发育异常等,开拓新的治疗方法。

尽管脑类器官的培养技术已经取得了长足的进步,但传统的分化诱导方法仍然存在一些问题。例如,目前的脑类器官缺乏理想的支撑结构,如血管、脑膜和其他周围组织。此外,在一些技术的实现上,例如将脑类器官稳定培养超过一年,以及通过标准化的手段在各种实验室中诱导出可重复分化的脑类器官等方面,还存在较多挑战。

1.2 脑类器官的功能评估研究进展

近年来,除疾病建模外,脑类器官神经活动的功能评估研究也备受关注。具体包括通过膜片钳法、钙成像和细胞外电位记录等方法对脑类器官内的神经或神经元活动进行评估。截至目前,由于评估脑类器官复杂神经活动的能力有限,评估神经元网络的综合功能仍然是一个难题。微电极阵列(multielectrode array,MEA)和钙成像可能是解决这一难题的有效工具。在MEA中,测量连接到每个电极的神经元的细胞外电位,并且从多个记录位点评估电生理学,能够通过高时间分辨率评估神经元网络的功能。然而,这种方法的缺点是空间分辨率较低,只能检测与电极接触的脑类器官的电位,并且需要计算机科学的专业知识。尽管如此,MEA仍然是评估神经元网络活动中功能动力学的强大工具。钙成像是使用共聚焦或多光子显微镜评估由钙离子与钙示踪剂结合引起的时间序列荧光变化。钙成像在某些方面优于MEA,但在时间分辨率上明显低于 MEA。此外,传统钙成像需要手动选择细胞进行评估,因而不适合神经网络评估。

为此,Sakaguchi及其研究团队通过结合源自脑类器官神经网络的钙成像和高内涵分析方法,对大脑神经回路中的网络进行了全面的功能评估[8]。他们通过使用这种方法,可以了解信息通过特定细胞群的活动在大脑中编码的过程,以及这些异常活动引起精神疾病的基本机制。这项技术主要广泛应用于三个研究领域:一是新药研发领域,在这一领域,评估药物对人类异常神经网络活动的疗效可能会促进精神类药物的研发;二是主要应用于神经精神疾病模型建立研究,在这一领域,该技术可以检测异常的神经元活动,这为此类病理模型的建立提供了基础;三是主要应用于非人源动物和人脑类器官联合进行体内试验研究,尽管该领域目前还处于初步阶段,但一些研究表明,移植小鼠大脑皮层细胞或小鼠ESC或人类iPSC 衍生的皮层神经元可以改善脑损伤引起的运动功能障碍,而这种改善的确切机制尚不明确[9]。此外,在创伤性脑损伤研究中,在体移植脑类器官能够与宿主神经元建立突触连接,可以逆转创伤后神经元丢失、促进神经网络恢复,降低神经炎症,提高学习记忆能力的潜在疗法[10]。

以上研究表明脑类器官功能评估技术已取得了巨大的进步。然而,目前尚不具备通过成熟的方法证明脑类器官具有特定类型的意识和心理活动,但我们有理由相信,随着相关研究的不断深入和技术的持续进步,在不久的将来,一定可以通过特定技术手段实现脑类器官意识活动的功能评估。

2 脑类器官研究面临的伦理问题

日新月异的脑类器官研究在大大缩短整个生物医学创新周期的同时,也可能引发诸多新的伦理问题。针对脑类器官研究,从技术研究的角度可以大致分为脑类器官体外培养和脑类器官移植,而这两类技术所面临的伦理问题和困境也不尽相同,因此,我们将从这两方面分别去探讨脑类器官研究所面临的道德地位的判定、知情同意等伦理问题。

2.1 脑类器官体外培养产生的伦理问题

Nita Farahany及其研究团队认为如果在体外培养的脑类器官变得越来越复杂,它们可能会发展出类似于人类的知觉能力,例如感受事物的能力(如快乐、痛苦等),存储和检索记忆,以及自我意识[11-12]。目前的脑类器官还没有成熟的神经网络,以及与环境相互作用而产生感觉输入和运动输出的能力,而这些神经网络和输入/输出能力是认知产生所必需的,所以现有的脑类器官具有意识的可能性极低。

从心灵哲学的角度,意识分为自我意识、现象意识和通道意识这三种最有可能承载道德的意识形式。自我意识需要有自我的概念,并且在思考自我时能够使用这个概念,具有自我意识的生物具有复杂的认知能力。现象意识在学术文献中被视为意识的核心概念,它被描述为一种主观体验,具有诸如痛苦、愉悦和知觉等定性内容,人类和非人类动物都会体验到现象意识[13]。而通道意识指的是能够被某些认知功能或说认知模块,例如推理、决策和语言表达等认知功能所通道意识状态[14]。我们通常会从一个人拥有哪种类型的意识来决定应该如何在道德上评价这个人。没有感觉组织的脑类器官不会有自我意识、现象意识或通道意识,因为这些意识形式需要主观体验。没有感觉输入和运动输出,就连现象意识都不会出现,更不用说通道意识或自我意识了。因此,目前脑类器官不太可能具有任何由意识引起的道德问题。但是,如果随着培养技术的进步,对脑类器官能够形成意识的担忧并不多余。如何让脑类器官研究不去触碰神经分化的界限,使我们在合乎伦理的情况下合理利用这些技术为人类服务,这将会成为新的挑战和命题。

关于脑类器官的知情同意困境主要集中在两个方面:第一是在捐献者知情未来研究用途的情况下,培养捐献者的自身细胞组织,以及将体外培养的脑类器官用于潜在的医学治疗时,须告知他们试验或治疗的可能的风险等;第二是随着脑类器官体外培养技术的发展,脑类器官本身成为知情同意主体。尽管学术界对该问题采取谨慎的立场,但也认为需要适当放宽对相关研究的限制,并通过加强隐私保护程序和审查监管的力度,降低严格知情同意程序的门槛。此外,学术界还提出公众对类器官研究做出积极贡献的责任和义务,以促进相关研究的进展和发展。

2.2 脑类器官移植产生的伦理问题

大多数非人类动物在没有人类大脑类器官移植的情况下都能体验到现象意识。绝大多数人认为在科学和医学研究中使用具有现象意识的动物是合情合理的。然而,当这类研究涉及脑类器官时,应该考虑两个更加复杂的情况:一是脑类器官在体外具有某种意义上的意识,我们将其移植到动物体内;二是脑类器官在体外不具有意识,移植到动物体内后获得意识。在这两种情况下,移植动物都获得了类人意识,由此衍生的伦理问题值得重视。此外,现阶段,人类的脑类器官能以嵌合体的方式在小鼠和大鼠体内生长,在脑类器官研究中关于捐赠生物样本也存在较多伦理问题,比如涉及脑类器官的可能用途,以及捐赠者的知情同意及隐私等[15]。最新研究发现,这种在动物体内以嵌合体方式生长的脑类器官可以从神经元释放并接收信号,使得这些小鼠和大鼠在认知和记忆方面展现出更高的智力[4]。尽管如此,部分学者持有观点,鼠脑即便嵌合了人类的脑细胞,其思考方式依旧无法与人类相提并论。因此,对于动物具有更多“人性”或更易感知疼痛的忧虑恐怕还是过度担忧了[16]。

虽然通过植入人脑类器官来创造具有意识的动物在道德上是允许的,但在这种情况下,我们应当慎重考虑此类动物的道德地位[17]。在这里,伦理担忧主要涉及三个方面——人类尊严问题、动物福利问题、制造嵌合体的技术风险较大且难以评估。如果人兽嵌合体具有显著的认知功能,例如感觉、思维、情感和自我意识等,但被限制在低级动物的身体中并用于实验,可能会导致更多的心理和精神痛苦。因此,如今我们应当充分重视脑类器官人兽嵌合体的道德地位,慎重地进行操作,同时,相关的研究亦需实行严密的伦理评审,确保研究合理性得到保障。

试图将脑类器官与其他神经组织连接起来的融合神经类器官的研究在不久的将来可能成为现实,并带来新的伦理挑战[18-19]。最新研究提出了大脑和丘脑类器官融合的概念,由于丘脑是大脑所有感觉输入的大门,这一发现有可能证实感觉信息将传递到类器官的神经元组织,这意味着如果融合的类器官进一步与背侧脊髓和周围神经融合,则类器官可能具有躯体感觉体验[20]。随之可能会出现一个新的伦理问题,即是否允许创建和使用具有显著超越传统框架特性的脑类器官。

3 脑类器官研究伦理问题的应对策略

通过与多种技术的结合,脑类器官在后续探究人类大脑发育、进化、发育异常、退行性病变、肿瘤等脑疾病的研究中具备巨大的应用潜力[21]。然而,随着研究技术的不断进展,如何妥善地处理脑类器官研究所带来的伦理问题,使技术进步能够合理合规地造福人类,已成为这个领域迫切需要面对的重要命题。

3.1 脑类器官研究伦理问题的应对准则

国际干细胞研究协会首先在2006年公布了《人类胚胎干细胞研究指南》,接着在2016年发布《干细胞研究与临床转化原则》,并于2021年对其进行修正。我国于2015年推出《干细胞临床研究管理办法(试行)》,并于2016年逐步实行新颁布的《人体生物医学研究伦理审查程序》。脑类器官研究具有其特殊性、复杂性和敏感性,在研究中所涉及的伦理问题,首先应当遵从这些准则和指导方针中所提出的5个核心伦理原则,即诚信、患者利益为先、尊重、透明和公正原则。但是,在涉及具体研究时,在考虑风险受益评估的同时,我们应当进一步构建脑类器官研究包含尊重、负责、人的福祉、透明、公众参与和利益共享6大伦理原则的伦理框架,既承认伦理原则对于具体案例的指导,同时又强调经过考虑的伦理判断对于伦理原则的补充和修正[22]。目前,脑类器官研究成果的公正利益分配问题备受关注,主要集中在成果共享方面。针对该问题,现在的共识是公众、科研机构、管理者和医疗机构等相关主体应该在合理的范围内共享成果。同时,为了保护参与脑类器官库建设的公众的权益,有必要采取更为严格的措施,并提出不同主体共同治理的建议,以更好地促进脑类器官领域的可持续研究和高效应用。

脑类器官具有神经分化特征,与人类胚胎相似,其发育程度会影响道德地位判定,因此,借鉴人类胚胎的道德地位判定标准,可以给脑类器官的道德地位判定做出很好的借鉴。在实验探究过程中,一旦给予人类胚胎相应的道德地位,必须按照人类胚胎试验“14天”准则(即人体胚胎孕育至第14天后将出现神经分化现象,这代表着胚胎有感知疼痛的能力,此刻不可进行实验干预),确保实验研究对已经出现神经分化的人类胚胎不造成损害。而脑类器官是来源于人体细胞,可参照人类胚胎试验“14天”准则所得出的判断标准,如人体来源、知觉能力以及发展为个体的潜力等,来评估其道德地位[23]。

3.2 脑类器官研究伦理问题的具体应对策略

脑类器官的伦理应对需要多方协调配合,共同参与。脑类器官技术在研究和治疗无法治愈的严重脑类疾病方面尤为重要,而研究技术进步随之可能产生的意识问题和道德问题,以及商业化对脑类器官资源的分配利用的影响,这引发了许多担忧,合理的伦理应对策略能在一定程度上提供保护。因此,综合脑类器官伦理问题的原因、特点及可依据的原则,本文提出如下几点具体应对策略。

第一,在指导脑类器官研究层面上,人类胚胎试验“14天”法则的核心关注应集中在器官发展阶段,而非简单计算实验已进行的时间。实际上,该类器官生长过程中也会有类似神经分化的关键期,但其神经分化时间并非一定在14天。只要发现神经细胞分化,便可以判断器官拥有了知觉能力,这种能力可能导致意识产生,此时,具备意识的脑类器官其道德地位就不能任意去进行干预。然而,把时间控制作为一种很好的限定条件,使得对脑类器官的研究避免触及神经分化的边界,如此一来,能够非常好地规避关于道德地位的争论,进而更为自由地进行相关研究[24]。

第二,关于脑类器官的移植实验,更应依循现行的伦理准则以及监管体系进行。部分研究人员提议,此类移植研究宜逐步推进,必须严密观察,确保宿主动物不会出现某种程度的人类生理或行为变化[12]。目前,所有将任何类型的人类细胞移植到活体动物体内的研究,研究者应当谨慎地进行此类研究,并在研究过程中严格遵照按照国际干细胞研究学会和各国制定的相关伦理准则和指导方针[25]。

第三,脑类器官研究面临道德挑战,需要强化研究人员伦理底线意识,使其遵守伦理原则规范,特别是要保证供体知情同意并掌控对组织使用权,尊重供体权益,要逐步进行研究,确保动物身上不会发生高强度的生理和行为变化,还要防止嵌合体动物产生生殖能力。

第四,保障公众知情权,提倡公众参与治理并提供有用意见,让政策制定和科研决策更贴近大众需求,保障利益共享,此外,供体可以自主决策是否参与脑类器官研究,并建立监管下的有限定的同意机制,尊重自主性,保障基本权益。

第五,目前还没有专门针对脑类器官研究的相关全球法律或法规,虽然澳大利亚、美国等国家已经颁布了针对脑类器官研究的相关法规,但仍并没有解决脑类器官意识和道德状况特有的伦理问题,因此,对于脑类器官研究未来还需加强法律约束和政府监管来保障脑类器官技术领域的安全有序推进,维护正常社会秩序[26]。

第六,未来脑类器官研究需要建立预防与补救机制,加强伦理委员会审查制度,防范脑类器官实验研究风险,并避免公众担忧和信息泄露,并制定补救方案应对可能出现的失误。对于脑类器官研究未来的伦理挑战,我们应当充分考虑风险预测和各种情况下的权利问题,建议研究者强化意识、认识公众知情、建立资源利益共享机制、加强法律约束和政府监管。

4 小结

总之,在现实研究中,如何妥善处理好脑类器官研究所面对的伦理问题是一个系统工程。尽管如此,随着脑类器官研究的不断进展,我们需要对其研究的界限和伦理规范进行不断探讨。基于上述探讨,在将来的研究中,无论是哲学家、生物伦理学家还是科学家,对脑类器官研究和应用都应持谨慎态度,建议伦理全程介入和紧密监控,进行前瞻性思考,合理预测其发展走势和道德影响。同样,相关的临床试验与治疗方案必须经过伦理委员会严格审批,让脑类器官研究在伦理监管下实现科学和有益的价值创造。