通過添加一種簡單的食品添加劑，研究人員現在可以大規模生產統一的腦類器官，克服了多年的規模化挑戰。 這種可擴展的系統有望加速藥物安全性和腦部疾病研究的發現。
近十年來，斯坦福腦類器官發生專案一直在重新定義科學家研究人類大腦的方式。 該專案不再依賴人類或動物的完整腦組織，而是使用幹細胞在實驗室中培育三維類腦結構。 這些被稱為人類神經類器官和組裝體的微小模型，使科學家能夠以全新方式探索大腦的發育和功能。
該計劃於2018年作為斯坦福大學吳蔡神經科學研究所「神經科學大創意」計劃的一部分啟動，彙集了來自神經科學、化學、工程學和其他學科的專家。 他們共同研究與疼痛相關的神經迴路、與神經發育障礙相關的基因以及研究腦連接的新方法。
在整個項目進程中，一個挑戰一直存在：擴大生產規模。 為了深入瞭解大腦發育、研究發育障礙或測試潛在療法，研究人員需要生產大小和形狀統一的數千個類器官。 然而，這些精細的結構往往粘在一起，使得難以培養大量一致的批次。
由吳蔡神經科學附屬機構、精神病學和行為科學甘迺思· T·諾裡斯教授塞爾吉烏·帕斯卡和工程學里基/尼爾森教授薩拉·海爾斯霍恩領導的一個團隊最近發現了一個出乎意料的簡單解決方案。 正如《自然生物醫學工程》雜誌報導的那樣，防止類器官聚集的關鍵是一種廣泛使用的食品添加劑——黃原膠。
“我們現在可以輕鬆製造10,000個，”斯坦福腦類器官發生專案的邦妮·烏滕格蘇和家族主任帕斯卡說。 該計劃致力於使其技術廣泛可用，他們已經分享了這種方法，以便其他人可以利用它。 “這與我們所有方法一樣，是開放且免費獲取的。 已經有眾多實驗室實施了這項技術。 ”
數量如此之少，你可以為它們命名
這種生產水準曾經是難以想像的。 大約十二年前，帕斯卡剛剛開發出一種將幹細胞轉化為三維組織的方法，這些組織後來被稱為區域化神經類器官。 當時，他只能製作幾個。
“在早期，我有八九個，我給它們都以神話生物命名，”帕斯卡說。
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但帕斯卡的目標要大得多：揭示發育中的大腦如何在自閉症或蒂莫西綜合征等情況下出現異常，以及探索藥物如何影響這種發育。 “我們需要生產數千個類器官，它們都應該是一樣的，”他說。
他還意識到，成功需要一支由各種專家組成的多元化團隊。 我想，’這是一個新興領域，我們將面臨許多問題，我們將面對和解決這些問題的方式是實施創新技術，’“帕斯卡說。
為了實現這一願景，帕斯卡與吳蔡神經科學附屬機構、神經科學家和生物工程師卡爾·戴塞爾羅斯合作，組建了一個跨學科小組，該小組在吳蔡神經科學“神經科學大創意”撥款的支援下正式啟動了斯坦福腦類器官發生專案。
不粘解決方案
粘性問題很快出現。 類器官融合在一起，導致不同形狀和大小的類器官數量減少。
“實驗室里的人總是說，’我製作了一百個類器官，但最終只得到二十個，’”帕斯卡說。
這既是祝福也是詛咒。 一方面，它表明研究人員可以將兩種不同類型的類器官粘在一起——比如微小的小腦和脊髓——以研究更複雜腦結構的發育。 事實上，這些組裝體現在是帕斯卡及其同事工作的關鍵部分。
另一方面，團隊仍然需要能夠創建大量類器官，以便他們能夠收集關於大腦發育的精確數據，篩查藥物對生長缺陷的影響，或在規模上執行任何數量的其他專案。
一種可能性是在單獨的培養皿中培育每個類器官，但這樣做通常效率低下。 相反，實驗室需要一種方法在批量培養時保持類器官分離，因此帕斯卡與斯坦福腦類器官發生專案合作者、材料工程師海爾斯霍恩合作，嘗試了一些選項。
該團隊最終研究了23種不同材料，目的是使他們的方法易於他人採用。
“我們選擇了已經被認為生物相容且相對經濟和易於使用的材料，這樣我們的方法可以很容易被其他科學家採用，”海爾斯霍恩說。
為了測試每一種材料，他們首先在營養豐富的液體中培養類器官六天，然後添加一種測試材料。 再過25天后，團隊只需計算剩餘的類器官數量。
即使少量的黃原膠也能防止類器官融合在一起，並且對類器官發育沒有任何副作用。 這意味著研究人員可以在不偏倚實驗結果的情況下保持類器官分離。
終於實現規模化
為了展示該技術的潛力，團隊使用它解決了一個現實問題：醫生通常不願意向孕婦和嬰兒開可能有益的藥物，因為他們不知道這些藥物是否會損害發育中的大腦。 （儘管FDA批准的藥物經過廣泛測試，但倫理問題意味著它們通常不會在孕婦或嬰兒身上進行測試。 ）
為了展示類器官如何解決這個問題，共同第一作者、當時在帕斯卡實驗室工作的訪問研究員奈良崎元太首先批量培養了2,400個類器官。 然後，奈良崎向每個批次添加298種FDA批准藥物中的一種，以查看是否有任何藥物可能導致生長缺陷。 與帕斯卡實驗室的共同第一作者三浦優紀密切合作，奈良崎表明，包括用於治療乳腺癌的一種藥物在內的幾種藥物抑制了類器官的生長，這表明它們可能對大腦發育有害。
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帕斯卡說，這個實驗表明研究人員可以發現潛在的副作用——而且效率非常高：「一位實驗人員自己生產了數千個皮質類器官，並測試了近300種藥物。 ”
帕斯卡和他的斯坦福腦類器官發生專案同事現在希望利用他們的技術在自閉症、癲癇和精神分裂症等多種神經精神疾病方面取得進展。 “解決這些疾病確實很重要，但如果不擴大規模，就無法取得進展，”帕斯卡說。 “這就是目前的目標。”
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