一個國際研究團隊使用干細胞成功培育出一個模仿人腦早期發(fā)育的3D結(jié)構(gòu).研究顯示,這種"類腦器官(迷你大腦)"可以被用作微觀分析人類遺傳性疾病發(fā)病機理的模型系統(tǒng).在罹患遺傳性疾病的人群中,其大腦體積明顯縮小.

    該研究由奧地利分子生物技術(shù)研究所的Juergen Knoblich牽頭,并聯(lián)合英國愛丁堡大學(xué)醫(yī)學(xué)研究委員會(MRC)人類遺傳小組的科學(xué)家共同開展,為搞清關(guān)于腦組織發(fā)育和神經(jīng)疾病的人類特征提供了一種新的實驗室方法,而這種方法恰恰是使用動物模型所無法實現(xiàn)的.

    為進行腦組織培養(yǎng),研究人員利用干細胞自身形成復(fù)雜器官結(jié)構(gòu)的能力研制了一種可以進行微調(diào)的培養(yǎng)系統(tǒng).

    研究人員首先利用人類胚胎和誘導(dǎo)多能干細胞展開研究,后者能夠用來培養(yǎng)神經(jīng)外胚層(胚胎細胞的外層)--大腦的所有部分和神經(jīng)系統(tǒng)都由神經(jīng)外胚層發(fā)育而來的.研究人員隨后將部分組織植入人工凝膠中(人工凝膠是復(fù)雜組織發(fā)育的平臺),然后再放入旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器.培養(yǎng)基在反應(yīng)器中的循環(huán)改善了氧和氮的供應(yīng),促使迷你大腦的體積變大.

    一個月之后,組織的碎片可以自行排列成能夠發(fā)育成視網(wǎng)膜、脈絡(luò)叢和大腦皮層等大腦區(qū)域的原始結(jié)構(gòu).研究人員在顯微鏡下觀察大腦皮層,可以看到在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵作用的放射狀膠質(zhì)干細胞,正在以同正常發(fā)育相似的方式生成神經(jīng)元.到兩個月時,迷你大腦的最大尺寸已經(jīng)達到4毫米,但它們尚缺乏一個完全發(fā)育的大腦的更為細微的組織結(jié)構(gòu).

    使用病人的誘導(dǎo)多能干細胞,研究人員已經(jīng)能模擬出小頭畸形癥的發(fā)展過程.實踐證明,小頭畸形癥的發(fā)展過程很難在小鼠身上復(fù)制.結(jié)果不出所料,使用這些細胞培養(yǎng)的迷你大腦的尺寸果然較小.

    進一步的研究發(fā)現(xiàn),這些病人所發(fā)生的基因突變導(dǎo)致了神經(jīng)干細胞從自我復(fù)制到分化成神經(jīng)細胞的時間早于正常情況,這就造成細胞總數(shù)減少以及迷你大腦的尺寸變小.

    參與該項研究的MRC人類遺傳小組的Andrew Jackson博士是一位研究神經(jīng)障礙的醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)家,他說:"人腦是人類已知的最復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)之一.這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)不能在小鼠等模型動物身上出現(xiàn),因此迷你大腦培育系統(tǒng)為我們研究組織培養(yǎng)中大腦的早期發(fā)育情況提供了一個極好的新方法,從而幫助科學(xué)家了解更多有關(guān)小頭畸形等神經(jīng)發(fā)育障礙方面的情況."

    MRC干細胞與發(fā)育生物學(xué)項目經(jīng)理Paul Colville Nash說:"我們的奧地利同事在3D系統(tǒng)培養(yǎng)方面取得了重要的成就,為科學(xué)家對人腦早期發(fā)育時的復(fù)雜相互作用進行真實模擬提供了一個好的方法.在如此復(fù)雜的細胞培養(yǎng)中生成組織是在實驗室研究人類疾病邁出的一大步."

    Knoblich表示:"這是一項極富吸引力的研究項目,它說明使用干細胞建立模型系統(tǒng)潛力巨大,它可以為人類發(fā)展和抗擊疾病提供新的啟示.像這樣的模型系統(tǒng)或可在新療法進入臨床試驗前的早期試驗中發(fā)揮重要作用."