科學重大突破：實驗室培育「迷你大腦」存活期創歷史新高

一顆比胡椒粒稍大的細胞團，卻在實驗室的培養皿裡活過了整整五年——這不只是一項生存紀錄的刷新，更可能是人類解開大腦謎團最重要的一把新鑰匙。

來自哈佛大學與麻省理工學院暨哈佛大學布羅德研究所（Broad Institute）的神經科學家們，日前宣布在幹細胞研究領域創下新里程碑：他們培育的人類大腦「類器官」（organoid）在實驗室中存活超過五年，相當於先前紀錄的三倍之久。這項突破性研究於8月19日正式發表在頂尖學術期刊《自然》（Nature）。

更令人驚嘆的是，部分類器官甚至撐過了七年，研究同時顯示這些微型細胞叢能夠像真實人腦一樣追蹤時間流逝。這批「迷你大腦」的研究主持人，正是哈佛大學幹細胞與再生生物學系教授帕奧拉．阿洛塔（Paola Arlotta）。

研究報告指出，這些胡椒粒大小的腦細胞團塊，每個都含有超過100萬個源自人類捐贈者的大腦皮質細胞。大腦類器官是從人類多功能幹細胞（pluripotent stem cells）培育而成的三維立體模型，體積大約只有一粒胡椒的大小，卻自發性地組織成類似大腦皮質的結構。

這些人腦的微型「化身」不僅保留了自身發育歷程的「記憶」，甚至可以被操控，使其跳躍至更成熟的發育階段——這項特性未來或許能應用於替換病變細胞，或用來製造實驗室培育的器官。

那麼，這些細胞到底「記住」了什麼？關鍵在於一種名為DNA甲基化（methylation）的分子機制。甲基化是基因在發育過程中被開啟或關閉的過程，遵循一套公認的時間表，可作為可靠的「年齡時鐘」。研究人員發現，實驗室培育的類器官精確複製了人類大腦中記錄在案的相同步驟。

在這項發表於《自然》的研究中，阿洛塔團隊追蹤了類器官在近六年內的基因表現、以基因組化學變化為指標的生物年齡，以及單細胞解析度下的細胞結構，並發現神經元及其支持性神經膠質細胞的出現與成熟，皆以和人類大腦自然發育相同的節奏進行，包括出生後發育的分子特徵。

研究團隊仔細分析了34個類器官，在六個月到五年之間的八個時間點，以單細胞RNA定序監測其活動，結合先前的研究數據，共蒐集了110個類器官、近42萬5千個個別細胞的資料。這個數據規模在類器官研究史上前所未見。

類器官一向被視為大腦研究的希望模型，但進展長期受限於如何在培養皿中維持嬌弱細胞存活的困難，過去大多數研究只複製了大腦發育的早期階段，而實驗室培育的細胞能否在更長的時間尺度上模擬大腦發育、各種細胞類型是否都能存活，始終是未解之謎。

為了突破這道關卡，研究人員特別優化了培養條件，採用一種「活性允許培養基」（activity-permissive medium），大幅延長了興奮性神經元的存活壽命。阿洛塔教授坦言，在研究開展之初，她對這些細胞究竟能發育到什麼程度，幾乎毫無把握。

這項突破的意義，遠不止於打破存活紀錄。科學家們希望大腦類器官能夠揭示人類大腦的運作奧秘，並有助於新藥的測試，尤其是深入了解自閉症、思覺失調症等障礙如何從早期發展並延續至成年。

阿茲海默症、帕金森氏症與漸凍症等神經退化性疾病已成為全球失能與死亡的主要原因，其複雜的致病機制至今仍未完全釐清，而傳統的動物模型與二維細胞培養系統，在結構複雜度與人類相關性上都存在明顯局限，難以忠實重現人類特有的神經病理現象。壽命更長的類器官，正是填補這道缺口的關鍵工具。

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研究第一作者、哈佛大學研究員諾埃利亞．安通-博拉尼奧斯（Noelia Antón-Bolaños）表示，「我們現在知道，這些模型具備持續發育多年的能力，下一步就是了解如何提供最佳條件，讓這種潛力充分展現，這將使我們更接近更真實的人腦模型。」

她同時強調，「這些大腦類器官具有高度可重複性，這對於將其用作疾病模型很重要，未來也可能支持在類器官上進行藥物測試的研究。」

本文 科學重大突破：實驗室培育「迷你大腦」存活期創歷史新高 授權來自 亞洲新聞網。