斯坦福科学家用常见食品添加剂培育出数千个迷你人脑

2018年，作为斯坦福大学吴蔡神经科学研究所“神经科学重大思想”计划的一部分，该项目启动，联合了神经科学、化学、工程学等多个学科的专家。他们共同研究与疼痛相关的神经回路、与神经发育障碍相关的基因，以及研究大脑连接的新方法。该项目在推进过程中一直面临一个挑战：扩大生产规模。为了深入理解脑发育、研究发育障碍或测试潜在疗法，研究人员需要培养数千个体积和形状均一的类器官。然而，这些脆弱的结构容易相互粘连，难以大量培养出一致性的批次。近日，由吴蔡神经科学研究所附属研究员、精神病学与行为科学教授塞尔吉乌·帕斯卡（Sergiu Pasca）和工程学教授萨拉·海尔肖恩（Sarah Heilshorn）领导的团队，找到了一个出乎意料的简单解决方案。正如《自然-生物医学工程》杂志所报道的，防止类器官聚集的关键是黄原胶——一种广泛使用的食品添加剂。“我们现在可以轻松培养出1万个类器官了，”斯坦福大学脑类器官项目主任帕斯卡说。为了践行项目让技术广泛可用的承诺，他们已经分享了这一方法，以便其他研究人员能够利用。“与我们所有的方法一样，这一技术是开放且免费获取的。已经有许多实验室采用了这种技术。”这种生产规模在过去是难以想象的。大约12年前，帕斯卡刚刚开发出一种将干细胞转化为三维组织的方法，这种组织后来被称为区域化神经类器官。当时，他只能培养出少量的类器官。“早期，我只有八九个类器官，我给每个都取了神话生物的名字，”帕斯卡说。但帕斯卡的目标更为宏大：揭示发育中的大脑在自闭症或蒂莫西综合征等疾病中是如何出现异常的，并探索药物可能如何影响这种发育。“我们需要培养数千个类器官，而且它们都应该是一样的，”他说。他还认识到，成功需要一支多元化的专家团队。“我想，‘这是一个新兴领域，我们将面临很多问题，而解决这些问题的方法是采用创新技术，’”帕斯卡说。为了实现这一愿景，帕斯卡与吴蔡神经科学研究所附属研究员、神经科学家兼生物工程师卡尔·戴瑟罗斯（Karl Deisseroth）合作，组建了一个跨学科团队，并在吴蔡神经科学“重大思想”基金的支持下，正式启动了斯坦福大学脑类器官项目。粘连问题很快就显现出来。类器官会相互融合，导致数量减少且形状大小不一。“实验室的人经常会说，‘我培养了100个类器官，但最后只剩下20个，’”帕斯卡说。这既是好事也是坏事。一方面，这表明研究人员可以将两种不同的类器官（比如小脑和脊髓）粘在一起，以研究更复杂的大脑结构的发育。事实上，这些“组装体”现在是帕斯卡及其同事工作的关键部分。另一方面，团队仍然需要能够大量培养类器官，以便大规模收集脑发育的精确数据、筛选导致生长缺陷的药物或开展其他众多项目。一种可能的方法是在单独的培养皿中培养每个类器官，但这样做往往效率低下。相反，实验室需要某种东西在批量培养时将类器官分开，因此帕斯卡与斯坦福大学脑类器官项目的合作者、材料工程师海尔肖恩合作，尝试了一些方案。该团队最终研究了23种不同的材料，目的是让他们的方法对其他研究人员来说易于获取。“我们选择的材料都是已经被认为具有生物相容性的，而且相对经济、使用简单，这样我们的方法就能很容易被其他科学家采用，”海尔肖恩说。为了测试每种材料，他们首先在富含营养的液体中培养类器官6天，然后加入一种测试材料。再过25天后，团队只需数一下剩余的类器官数量。即使少量的黄原胶也能防止类器官融合，并且对类器官的发育没有任何副作用。这意味着研究人员可以在不影响实验结果的情况下将类器官分开。为了展示这项技术的潜力，团队用它解决了一个现实问题：医生通常不愿给孕妇和婴儿开可能有益的药物，因为他们不知道这些药物是否会损害发育中的大脑。（尽管FDA批准的药物经过了广泛测试，但出于伦理考虑，它们通常不会在孕妇或婴儿身上测试。）为了展示类器官如何解决这一问题，共同第一作者根塔·奈良崎（Genta Narazaki）——研究期间是帕斯卡实验室的访问研究员——首先批量培养了2400个类器官。然后，奈良崎向每批类器官中加入298种FDA批准药物中的一种，观察是否有药物会导致生长缺陷。奈良崎与帕斯卡实验室的共同第一作者三浦优树（Yuki Miura）密切合作，发现包括一种用于治疗乳腺癌的药物在内的几种药物会阻碍类器官的生长，这表明它们可能对大脑发育有害。帕斯卡说，这个实验表明研究人员可以非常高效地发现潜在的副作用：“一名实验人员独自培养了数千个皮质类器官，并测试了近300种药物。”帕斯卡和他在斯坦福大学脑类器官项目的同事们现在希望利用这项技术在多种神经精神疾病（如自闭症、癫痫和精神分裂症）的研究上取得进展。“解决这些疾病非常重要，但除非扩大规模，否则无法取得实质性进展，”帕斯卡说。“这就是我们现在的目标。”