近十年來，斯坦福大學大腦器官發生計劃一直在重新定義科學家研究人類大腦的方式。相反，它們依賴於人類或動物的完整腦組織。該項目的研究人員利用乾細胞在實驗室中開發了一種三維類腦結構。小模型 這些被稱為人類神經系統的類器官和組合體。它使科學家能夠以全新的方式探索大腦的發育和功能。
該項目於 2018 年啟動，是斯坦福大學吳仔神經科學研究所的一部分。通過“神經科學大創意”計劃，它匯集了來自神經科學、化學、工程學的專家。和其他研究領域他們一起研究了與疼痛有關的神經迴路。與神經發育障礙相關的基因和研究大腦連接的新方法
在整個項目的進展過程中仍然存在一項挑戰：擴大生產規模。為了深入了解大腦發育、研究發育障礙或測試治療方法，研究人員需要生產數千種大小和形狀均一的有機物質。然而，這些精緻的結構往往會粘在一起。這使得大批量且一致的種植變得困難。
由 Sergiu Pasca 附屬機構 Wu Tsai Neuro、Rickey/Nielsen 精神病學和行為科學教授 Kenneth T. Norris 以及工程學教授 Sarah Heilshorn 領導的團隊剛剛發現了一個出乎意料的簡單解決方案。據報導 天然生物醫學工程防止有機物結塊的關鍵是黃原膠。這是一種廣泛使用的食品添加劑
“現在我們可以輕鬆生產 10,000 個，”斯坦福腦器官發生項目家族主任 Pasca Bonnie Uytengsu 說。他們的內容很容易獲得。他們分享了他們的方法，以便其他人可以利用它。 “就像我們所有的方法一樣。這是開放且免費的。有許多實驗室已經在使用這項技術。”
你能說出名字的人很少。
這種產量水平曾經是難以想像的。大約12年前，帕斯卡最近開發了一種將乾細胞轉化為三維組織的方法。這些被稱為區域神經系統類器官。那個時候，他只能和屈指可數的幾個人一起做。
“一開始我有八九個。我用神話生物給它們命名，”帕斯卡說。
但帕斯卡的目標要遠大得多。也就是說，要找出正在發育的大腦在自閉症或蒂莫西綜合症等情況下如何發生故障。並探索藥物如何影響這種發展。 “我們需要生產數千種有機物質。而且它們都應該是相同的，”他說。
他還認識到成功需要多元化的專家團隊：“我認為，‘這是一個新興領域，我們面臨很多問題。而我們面對和解決問題的方式是通過創新技術，’”帕斯卡說。
為了實現這一願景，帕斯卡與 Wu Tsai Neuro 附屬機構、神經科學家和生物工程師 Karl Deisseroth 合作。他們組成了跨學科小組，正式啟動了斯坦福腦器官發生計劃。得到吳仔神經科學獎學金的支持。
如何解決問題而不陷入困境
粘性問題很快又出現了。有機物融合在一起。結果，不同形狀和大小的有機物質就會減少。
“實驗室裡的人總是說，‘我製造了一百個類器官。但最終我們得到了 20 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類型的類器官結合起來，例如小腦和脊髓。研究更複雜的大腦結構的發育 事實上，這些組件是帕斯卡和他的同事工作的關鍵部分。
另一方面，該團隊還需要能夠構建大量類器官，以收集有關大腦發育的準確信息。篩選生長缺陷藥物或大規模開展其他項目
一種可能性是在單獨的培養皿中培養每種類型的類器官。但這樣做往往效率低下。相反，實驗室需要一些東西來在批量生產時分離有機材料。因此，帕斯卡與斯坦福大學腦器官發生項目合作者兼材料工程師赫爾肖恩合作。所以嘗試一些選擇。
該團隊最終研究了 23 種不同的材料，目標是讓其他人能夠使用他們的方法。
“我們選擇了已經被認為具有生物相容性的材料。而且它非常經濟且易於使用。這樣其他科學家就可以輕鬆實施我們的方法，”Heilshorn 說。
在每次測試中，他們將類器官在營養豐富的液體中培養六天。然後添加一種測試材料。又過了 25 天，研究小組計算了剩餘的有機物數量。
即使少量的黃原膠也能防止類器官融合在一起。並且對類器官的發育不會產生任何副作用，這意味著研究人員可以在不影響實驗結果的情況下分離有機材料。
終於放大了
為了展示這項技術的潛力，團隊一直在使用它來解決實際問題。醫生通常不願意開出可能對孕婦及其嬰兒有益的藥物。因為他們不知道這些藥物是否會損害大腦發育。 （雖然 FDA 批准的藥物經過了廣泛的測試，（但道德問題意味著它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，研究完成時合著者 Genta Narazaki 是 Pasca 實驗室的客座研究員。第一批 2,400 個類器官已培育完成。隨後，Narasaki 在每批中添加了 298 種經 FDA 批准的藥物，看看其中是否有任何藥物可能會導致生長缺陷。楢崎與合著者 Yuki Miura 在帕斯卡實驗室密切合作。研究表明，許多藥物包括用於治療乳腺癌的藥物。抑制類器官的生長。這暗示這些藥物可能對大腦發育有害。
該試驗表明研究人員可以發現潛在的副作用。而且可以非常有效地完成。帕斯卡說：“一個實驗者自己製作了數千個大腦類器官，並測試了近 300 種藥物。”
帕斯卡和他的斯坦福腦器官發生項目的同事希望利用他們的技術在幾種神經精神疾病方面取得進展，例如自閉症、癲癇和精神分裂症。 “解決這些疾病非常重要。但如果不擴大規模，它就不可能受到損害，”帕斯卡說。 “這就是現在的目標。”
