【科技 ‧ 未來】集前人大成加獨門秘方 造就迷你腦崛起

實驗室製的「迷你腦」有與人類大腦相似的結構部分,但各部分組成方式不同。(Arlotta Lab, Harvard Stem Cell Institute圖片)

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受惠於技術突破,近年科學家能夠在實驗室內培養出各種「類器官」(organoid),除了腸、胃與肝臟,還包括我們的大腦。最近更有科學家不滿足於此,正試圖培養類似人類遠古近親尼安德塔人(Neanderthals)的類腦器官。

到底在實驗室可以如何培養出人類的「大腦」?

作為這個領域的專家,蘭卡斯特研發迷你腦卻是誤打誤撞。2011年她在奧地利維也納分子生物科技學院(Institute of Molecular Biotechnology)擔任後博士研究員時,嘗試以人類胚胎細胞培養一種可發展成神經元的細胞。實驗不知何故出錯,在預期以外她培養出一粒粒乳白狀、沒有黏在培養皿底部的球體,部分更有奇怪的色素。

好奇心驅使她沒有棄置,反而加以觀察,結果在顯微鏡下發現那是發展中的視網膜細胞,即發展中的人腦一部分,切開後更發現了多種神經元。那一刻蘭卡斯特知道,她培養的細胞,自行組成了某個類似胚胎腦部的物體。

笹井芳樹曾以胚胎幹細胞培養各種人體組織,以視網膜(右圖)最為人所知。(日本理化學研究所RIKEN官網圖片)

但這些意外成品並不是世上首批迷你腦。製造類器官的起源最早可以追溯到20世紀之初,美國動物學家威爾遜(Henry Wilson)發現海綿動物即使被打碎成單細胞,也能夠自行重新組合。德國動物學家霍特夫萊特(Johannes Holtfreter)於1939年在青蛙胚胎的細胞上發現類似情況。這些研究結果讓科學界開始好奇,其他動物甚至人類的細胞是否也有同樣的自行組合能力。這種想法直至1980年代,在複雜如視網膜甚或大腦皮層的動物器官中得以證實。

山中伸彌研發出革命性的iPS細胞技術(Wikimedia Commons圖片)

日本生物學家笹井芳樹受這些實驗啟發,早於2008年開始以胚胎幹細胞,先後培養出類似大腦皮層的球形組織和視網膜。近年其他技術突破逐漸促進了類器官發展潮流。2009年,荷蘭的分子遺傳學家克萊弗斯(Hans Clevers)發明了一種基質膠(matrigel)培養方法來培養類腸器官。

日本幹細胞專家山中伸彌,則因研發出革命性的「重新編程」(reprogramming)技術,以四種轉錄因子把老鼠的皮膚細胞,變回誘導式多能性幹細胞(induced pluripotent stem cell, iPS)而獲得諾貝爾生理醫學獎。這些細胞的特性是可以發展成身體各個種類的細胞,包括人腦,而在山中教授的研究中,成果是可跳動的心臟。

在實驗室製作「迷你腦」的方法

集前人之大成,加上蘭卡斯特研發出「獨門秘方」,讓培養迷你腦變得輕鬆簡單。科學家先採集人類的皮膚細胞,在實驗室中把它們轉化為多能性幹細胞,這些細胞的特性是可以發展為身體任何類型的細胞。過往最大困難在於誘導幹細胞發展為神經元。科學家花費了大量心力尋找由糖、蛋白質、維他命和礦物組成的完美比例,直到2013年終於被蘭卡斯特找到了。

之後的過程她形容為種花般簡單,只要把細胞放到模仿胚胎組織的基質膠,再放到模仿血液流動的反應器,置於適當溫度下,就如分別為種子提供「泥土」、「水」和「陽光」,神經元就會像人類胚胎時的腦部般自行組合,幾個月後成為迷你腦(上圖)。 蘭卡斯特透露,僅在她最近出席的一個研討會中,已有過百間實驗室正使用這種技術。

到底「迷你腦」有何用途?而它們又為何引起倫理爭議?詳見此報道其他文章:

實驗室製「迷你腦」 三大方向造福人類

迷你腦引發倫理爭議:它們有意識嗎?

 

上文節錄自第112期《香港01》周報(2018年5月21日)《「迷你腦」引發探索大腦隱憂》。



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