组织工程学制造大脑

1、组织工程学：制造大脑邢鸿飞/编译笹井芳树 笹井芳树，日本神户理化学研究所生物学综合研究中心干细胞生物学家，凭着对干细胞的了解，已经在培养皿中培育出了一只眼睛和部分大脑。2010年12月，和往常一样在审阅科学论文的罗宾阿里（robin ali）突然异常兴奋，他后来回忆说：“我边在房间里绕着跑，边挥舞着论文的手稿。”这篇论文描述了胚胎干细胞是如何长成高脚杯状的视网膜组织的。在成长的胚胎中，被称作视杯的组织形成于眼睛的后部。但这次是在培养器皿中，与论文随附的录像表明，该组织结构缓慢地萌芽并旺盛地生长。阿里身为伦敦大学学院的眼科专家，在视觉修复领域潜心奉献二十多年，他明白，其中的意义是显而易见的。阿里

2、说：“我非常清楚，这是一篇里程碑式的论文。他改变了这一领域。”“他”就是笹井芳树，日本神户理化学研究所生物学综合研究中心的干细胞生物学家。笹井因其将神经干细胞诱导出精密结构而给众多研究人员留下过深刻印象。除了视杯外，他还开发研究出大脑皮层的精密组织层以及初级的荷尔蒙生成脑下垂体。目前他正在致力于培育小脑这一作用于运动协调和平衡的脑结构。布鲁塞尔自由大学的干细胞科学家吕克莱依斯（luc leyns）说：“这些论文是近些年来最令人痴迷的有关干细胞的系列论文。”笹井的工作远不止组织工程学，他解决了数十年来困扰发育生物学家的一些问题。胚胎的增殖干细胞如何将自身组织成复杂的机体和大脑结构？组织的形成是由

3、细胞内在的遗传程序驱动，还是由来自毗邻组织的外部信号发生作用？笹井将个人直觉与患者实验和相关错误结合后发现，需要两者达到非常精确的平衡：他调整了细胞的物理和化学信号的控制环境，同时也保证细胞能自由地“做它们的事”，然后调节自身形成组织。笹井有时把自己比作媒人，将两个素不相识的人召集到一起，就该隐身而退了。他说：“它们知道该做什么。它们小心翼翼地互动，如果外部信号太强烈，就会覆盖内部的信号。”笹井的工作价值在医疗中得到了应用。在三维立体空间重演胚胎发育，结果产生了诸如光感受器这样临床医学上有用的细胞，它们比在二维培育环境下产生的细胞更丰富有效，而且把它们放在能够反映人体的结构中。笹井和他的合作者

4、们目前正忙着在小鼠、猴子和人体内植入实验室培育的视网膜。笹井认为，二维培育环境下成熟的干细胞可能会带来“新一代”的疗法，但他的方法则将促成“新新一代”的疗法。自主自决笹井行动拘谨，举止保守，但国际研讨会之后在他研究所举办的宴会上，他与鸡尾酒调酒师上演了一出好戏。“我的第二份工作是干酒保的活。”他说着，脸上丝毫没有微笑。但是，他用96孔培养盘调制的鸡尾酒却使他在科学界赢得了美誉。和他的很多家庭成员一样，笹井学的是医学。但他很快发现自己在这一领域，尤其是在相关神经学科缺乏基本的理解，他因此非常沮丧。他回忆说：“医生如果对大脑一无所知，他就无法帮助病人，所谓的治疗也总是皮毛，治标不治本。”研究胚胎中

5、大脑如何形成以及大脑的皱褶，似乎是了解大脑的最佳方式。“大脑很复杂，而复杂的系统往往是混乱的。但又是最有序的。”笹井说道。他希望了解这一复杂的系统是如何受到控制的。“我们设置了一些适合的环境。但完成之后，我们就做不了什么。保持它们的生长，让它们自行其是。”一个众所周知的难题是：施佩曼组织者，即脊椎动物胚胎中诱导周围细胞成为神经组织的节。自1924年被发现以来，施佩曼组织者的作用原理始终是个谜。为解开这一难题，笹井接受了加州大学洛杉矶分校一个博士后职位。接受职位后，艰难的开头摆在笹井面前，在去加州的途中他在机场被人抢走了钱财和护照。但他在科学上的投入很快获得了回报。他的导师，发育生物学家艾迪德罗

6、伯提斯（eddy de robertis）介绍说：“他更换了护照，然后在一个月内完成了有名的基因脊索发生素的克隆。”笹井和他的同行们发现，脊索发生素蛋白质是施佩曼组织者释放的一个关键的发育信号。他们还发现，脊索发生素并没有推进周围的细胞使之成为神经元，反而阻挡了将它们转变成其他细胞类型的信号。这项工作有助于建立神经诱导的默认模式：就是说，如果没有其他信号，胚胎细胞会依照内部程序成为神经细胞。20世纪90年代末期，研究胚胎干细胞的科学家们也在寻找这些信号。他们希望能将干细胞转变成成熟的细胞类型，特别是神经元，这就有可能促成有效疗法。笹井表示，问题在于科学家们基本上都“行动过猛，干扰了系统”。笹井

7、明白，在胚胎里，从系统中减少信号非常重要，但不要去干扰系统。“我们努力地将外部信号减小到最低限度。”他说。笹井围绕着这个理论建立了一个实验系统。他弃用了通常会被加到生长胚胎干细胞中的血清，因为其中包含了一些特征不明的成长因子和其他信号分子。他还通过让胚胎干细胞自发形成称作胚体的悬浮聚集物来去除一些物理信号，比如与培养皿塑料表面的接触。他解释说：“如果他们相互粘贴，就会像行动受限的犯人，无法按照自己的意愿行事。”离开辅助系统还能维持细胞活性是个挑战，但经过5年的精心实验，笹井发表了研究论文，后来又为无血清胚胎体培育申请了专利。无血清胚胎体培育是一个简化的生命支持体系，其中的混合成分恰到好处，维持

8、了细胞的存活。这一研究成果还会继续进行，成为他的大脑组织工厂的核心。量身定做笹井体系中的胚体迅速地成为他所谓的“脑球”，和神经前体细胞聚居。笹井发现，这些完全不受干扰的胚体会促成像那些在发育中的大脑区域里叫做下丘脑的细胞，但那些受到一定生长因子影响的细胞开始与大脑皮层细胞有所不同。笹井培育这些细胞大约两周的时间后，他得到一个惊奇的发现：脑皮层细胞自发地开始形成一个多层次结构，最终与出生15天的小鼠的大脑惊人相似。当移植入一只新生小鼠的大脑，该结构存活。笹井说：“我们就做了这个。我们设置了一些适合的条件，选择合适的媒介和细胞数量。但完成之后，我们就做不了什么。保持它们的生长，让它们自行其是。”实

9、验室环境下培育的大脑皮层并不完美：脑部皮层六个细胞层中，它只有四个。笹井认为，视网膜是有层次的组织，发源于胚胎大脑，并且包括能感光的光感受器，它可能更容易培育。视网膜比大脑皮层薄，在胚胎发育过程中形成更早，不需要复杂的血管系统。为了使他的系统适用于一种不同类型的组织，笹井对培养条件做了微调，以将细胞轻推到培养的轨道上。从遗传的角度，他设计将荧光“标记”基因注入干细胞中，这样当细胞出现预期的不同类型视网膜前体细胞时，就可以显现出来，并且显示系统是否保持运行。笹井说：“成功取决于我们明白，微调会促成巨变。”而要培养视网膜，需要的就是几次微调，例如减少生长因子的集中，或者增加一种称作基质胶的标准细胞

10、培养剂。实验结果非常接近胚胎中眼睛的发育。在培育的第6天，脑球开始萌芽视网膜细胞囊泡状的成长，这些囊泡自身破裂后分化出现双层的胚胎视杯。笹井小组的成员将它们剪开，用笹井的话说“像从树上摘苹果一样”，将它们转移到另一个不同的培养环境，让其发展。两周后，视杯就已经形成了六层的视网膜，这与出生八天的小鼠的眼睛结构类似（这个生长阶段的小鼠，仍然是看不见的）。细胞在没有周围组织支持的情况下，能够自身完成如此惊人的生物力学过程，这让笹井和所有其他人大吃一惊。“我看到的时候，我就想天啊，形状、布局以及大小都重现。”笹井又补充道：“在英语表达中，如果你非常吃惊，你说令人瞠目，这次我们认为是真的瞠目了。”一语双

11、关，恰到好处。下一步显而易见，会用人类细胞复制这些结果。伦敦大学学院眼科专家、神经系统科学家彼得科菲（peter coffey）试着照笹井的步骤用人类细胞培养视杯，用科菲的话说，“惨败”。笹井今年公开了他的研究成果，他表示要非常小心，因为人类的胚胎干细胞太敏感。人类的细胞比小鼠的细胞成长速度慢三倍，笹井不得不一开始用9 000个细胞，而不是3 000个细胞。科菲说，他的经历让他明白，笹井的实验室是多么的专业。他心平气和又略带羡慕地说：“他们已经做了很久了，做得非常好。”目前的进展还不足以研制出像给台灯拧上灯泡那样，能够直接植入眼眶的眼球。即使笹井能够继续把他的视杯培养成成熟的视网膜，研究者们对

12、于如何将视网膜植入大脑仍然一筹莫展。此项工作提供了纯粹、密集、组织严谨的光感受器的丰富来源，其发育阶段可以有所选择，这是在二维培育环境下无法达到的效果。笹井希望，最终他的视杯能够提供批量的感光器，将它们植入例如色素性视网膜炎，或者黄斑变性等受损的视网膜。笹井抓了一堆纸来假设是视网膜层，然后从中滑落一张，以此来演示这一程序。但是，据致力于眼睛干细胞技术研究的专家表示，将移植的感光器与视网膜其他部分以及大脑相连接会非常困难。加利福尼亚州圣莫尼卡的干细胞治疗公司先进细胞技术首席科学家罗伯特兰扎（robert lanza）对此表示怀疑。他说：“以任何有意义的方式将那些细胞接通，我觉得都无济于事。”而阿

13、里却满怀希望。四月份，他的研究小组报告说，他们用从出生几天的小鼠身上取下的感光器前体细胞移植体改善了半盲小鼠的视力。阿里和笹井在研究中心的另一位合作者高桥正代一起，开始在用笹井的办法培育的感光器中提取细胞，并将它们植入小鼠体内。高桥计划年底的实验中，将细胞植入猴子体内。这两位对初期的研究结果都守口如瓶，但高桥表示，在小鼠体内，移植的感光器“存活良好”。荷尔蒙挑战笹井将其视野投向更复杂的神经组织研究。去年11月，他公开了垂体腺的培养，至今是他“最复杂的”组织培养。在胚胎中，当两种不同的组织融合形成囊状结构，就出现了垂体腺。笹井又成功地进行了体外复制，使用的胚胎干细胞比他之前培养小鼠视网膜的时候多三倍，这种调整似乎增强了细胞交换的信号水平。在垂体腺受到了破坏的小鼠身上植入后，退化器官恢复了内分泌系统，小鼠获救。此项研究最终可能研制出单纯、特别的细胞，可以用于治疗内分泌紊乱。笹井希望在前期努力的基础上，培育更优质的垂体腺，辅以供血；培育包括六层组织的大脑皮层；以及能够测光的感光器。但他接下来的主要任务是培育小脑，包括培养并组合三种不同来源的胚胎组织。这位媒人已经在着手工作，准备在合适的时候撮合一下。他说：“当男孩邂逅女孩，他们开始浪漫之旅，但不是在挤得