利用人体胚胎干细胞培育半组织化的神经组织节思维导图

Lancaster是Knoblich的一名博士后，她主要的研究工作就是培养尚处于发育初期的神经组织，以便更好地了解正在发育中的神经细胞在什么时候、如何从增殖状态转换到分化状态，分化出整个大脑组织的医学|教育网搜集整理。Lancaster的工作是在奥地利科学院维也纳分子生物技术研究所（Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Science in Vienna）的发育遗传学家Jürgen Knoblich的实验室里完成的。这项工作充分利用了Knoblich所谓的“人体发育细胞的强大自我组织能力”。按照该理论，只要我们给细胞提供足够的营养，它们就能自己搞定一切。该工作也借鉴了日本神户RIKEN发育生物学中心（RIKEN Center for Developmental Biology in Kobe， Japan）的Yoshiki Sasai等人前期的工作成果。Sasai等人在2008年曾经报道过，体外培养的小鼠和人体的胚胎细胞会自发形成细胞层，这些细胞层与真正动物大脑里的皮层结构非常相似。

Lancaster先借助Sasai等人开发的技术，让正在分裂的胚胎干细胞朝着神经组织的方向定向发育，但是据她自己介绍，她也对另外一个科研小组采用的基质胶（Matrigel）液滴培养法很感兴趣，因为细胞在这种凝胶状的蛋白基质中可以立体式地生长。于是Lancaster将一大团胚胎干细胞分化而来的神经细胞包埋进了基质凝胶当中。不出所料，细胞在凝胶中越长越大，而且在没有任何外源诱导刺激的情况下也逐渐发育出了更加复杂的结构。为了能够让内层的细胞也有比较充分的氧气和养料供应，Lancaster将培养皿放到了摇床上，用缓慢震荡的方式解决了这个问题。几个星期之后，Lancaster等人就注意到在某些细胞团处出现了颜色比较深的色素斑。经过仔细观察发现，这就是眼组织的雏形，这也就意味着今后可能会形成更加复杂的神经结构。

Lancaster在实验室的例会上汇报了这一工作进展，Knoblich听到这个消息之后兴奋极了，当晚甚至都失眠了。之后实验室的其他人员也对该类脑组织进行了仔细的观察，结果又发现了类似于脉络丛（choroid plexus）、大脑皮质（cerebral cortex）和视网膜组织（retinal tissue）样的结构。染色之后进一步发现，经过了16天的发育，该类脑组织已经形成了所谓的前脑（forebrain）、中脑（midbrain）和后脑（hindbrain）等结构。他们还发现了很多大脑特化区域专有的分子标志物，其中就包括人脑特有的外室管膜下区（outer subventricular zone， OSVZ）。用小鼠胚胎干细胞培育出的类脑组织里就没有OSVZ区。不过类脑组织和真正脑组织的相似之处也就这么多了。由于在类脑组织里没有发育出血管，所以组织内部的细胞不久之后就死亡了。因为这种限制，经过2至3个月的生长，类脑组织最多只能够长到直径3mm左右的大小。据Lancaster介绍，到了4个月的时候，类脑组织就再也不能分化出更多种类的细胞了。

但是该组织在震荡培养皿中可以继续生存下去，其中时间最长的一个类脑组织已经在实验室里养了快一年的时间。这个类脑组织给人类大脑疾病研究工作带来了一丝曙光，因为之前一直都难以用小鼠或者其它动物作为模型来研究这类疾病。比如科学家们就可以用这种类脑组织来研究小头畸形（microcephaly），这是一种神经发育异常疾病，患者的头颅和脑组织体积都比正常人要小。而且也不需要用胚胎干细胞，只需要取一点患者的体细胞，然后将其重编程为诱导多潜能干细胞（induced pluripotent stem cell， iPS），然后再培育出类脑组织就可以了。用小鼠很难构建出理想的小头畸形动物模型，因为小鼠小头畸形的程度非常轻。相比之下，用患者iPS细胞培育出的类脑组织就要明显小好几圈，Knoblich的课题组已经发现了一条导致小头畸形的线索。

Lancaster和Knoblich还注意到，每一个类脑组织的发育过程都不一样，所以在组织的构成和结构方面也是千差万别，所以很难开展对照实验。所以他们也正在努力研究如何培育出更加一致的类脑组织，同时也希望能够在其中加入血管系统，以便让类脑组织长得更大，发育得更加成熟、完全。这是因为有一些前体细胞（precursor cell）的成熟时间提前，所以导致脑组织生长提前终止。不过这种类脑组织可能不太适合用于对自闭症或精神分裂症等比较复杂的神经系统发育异常疾病进行研究的科研工作，因为这些疾病牵涉的细胞成熟度更高，涉及到的细胞之间的联系程度也更加复杂。他们也希望能有更多的人加入到这个工作当中，让这项技术更加完善。G？tz等人就对此颇感兴趣，他们说道：“对于研究大脑皮质而言，这种类脑组织是迄今为止最好的实验材料了。时间会证明这种类脑组织的价值。”