2023年01月25日22:30:11 科學 2858

將人類細胞移植到動物大腦中能啟發關於生命發育和疾病的見解，同時也會帶來新的倫理問題。

倫敦一所實驗室的暗房中，一組學生和研究人員正在觀察一簇人類腦細胞向他們的「新家」——一個活的小鼠大腦中定居的過程。在顯微鏡一旁的電腦顯示屏上，人類神經細胞不時閃爍出發生同步活動時所釋放的光芒。隨着時間的推移，細胞逐漸長出數厘米長的新連接，從而相互連接成網絡。負責運營這所倫敦帝國理工學院實驗室的vincenzo de paola說，他的學生非常着迷。「這就是他們想做的一切，我沒法讓他們走。」他說。

這些研究者在最前排觀賞着一場非凡演出。de paola研究團隊是少數幾個能研究人類神經細胞在活着、發育中的腦中工作的實驗室之一；出於倫理和技術原因，該系統大多被禁止。「我們無法在這些過程發生於人類胎兒大腦時進行研究，」他說，「相反，我們想觀察人類大腦皮層神經元在活體動物中發育成熟、並形成活躍神經網絡的過程。」

從幹細胞製得的人類神經元細胞（綠色）在移植到小鼠大腦內兩周後的情況。來源：pierre vanderhaeghen

de paola所採用的研究體系是一種特定類型的神經嵌合體——這是一個近五年里蓬勃發展的領域，並引發了針對「混合人類和動物腦組織」相關倫理問題的廣泛爭論。支持者認為，這類研究體系對於在實驗中操作人類神經元活細胞而言很有必要，而且使用該體系的研究已經為我們認識健康和疾病提供了一些重要啟示。例如，通過在研究中使用神經嵌合體，科學家們已發現唐氏綜合征和阿爾茨海默病中神經元的發育和行為方式存在差異。

但其他一些人則警告說，這樣的嵌合體其實代表了一個道德上的灰色地帶，因為它可能會使人類與其他動物之間的界限變得模糊，或在動物身上再現類似於人的感知或認知。一些研究人員說，這類嵌合體應該僅在沒有其他細胞或動物模型合適的情況下才能被使用。「究竟是該模型真能用於回答某個科學問題，還是我們僅僅是為了用它而越界？」francis crick研究所發育生物學家naomi moris問道。倫理學家們正在追問：存在於某隻動物大腦中的人類神經元集群，在什麼時候理應被視為具有某種獨特的道德地位。

雖然使用嵌合體（由不同生命體或物種的細胞所組成的實體）所開展的研究已有數十年的歷史，但神經嵌合體的出現引發了新的倫理問題。美國國家學院（us national academies of science, engineering and medicine）於2021年發佈的關於神經嵌合體研究的特別報告（參見 go.nature.com/3pii9q5）中指出了部分問題，例如賦予動物新的認知能力，或可能給動物帶來痛苦的人類病症等。委員會建議，雖然目前對幹細胞和動物研究有充分規範，但神經嵌合體這一領域應受到密切監管。委員會還鼓勵開展預實驗、並對動物採取密切監測，從而識別出任何新出現或不尋常的動物行為。

對於監管機構而言，未來還將有很多需要他們關注的事情。研究者不想局限於移植少量孤立的細胞，而是正開始考慮進一步創造具有人類大腦區域的嵌合體動物。數項將人類大腦幹細胞移植到猴子大腦中的研究取得的成果，幫助了一項臨床試驗得以在2018年啟動，該臨床試驗旨在驗證人類大腦幹細胞移植在帕金森病治療中的可行性。2019年，日本撤銷了禁止政府資助利用「人類-動物」嵌合胚胎的研究的禁令。包括美國和英國在內的許多國家，法律上允許涉及將人類腦細胞或腦組織與另一種動物大腦相互混合的研究，在通過額外審查後還可獲得政府資助。美國禁止其政府為涉及「人類-動物」嵌合胚胎的研究提供資助。

觀察者們預計這一領域的進展會很快。「我們知道它將高速發展。」美國哈佛大學醫學院研究倫理主任 insoo hyun說。

研究主流

生物學發展的歷史就圍繞着嵌合體。美國洛克菲勒大學的發育生物學家ali brivanlou說，早在20世紀初，胚胎學家們便把異種動物胚胎的組分剪切粘貼在一起，比如將雞和鵪鶉融合在一起，以探尋胚胎髮育信號的來源。

近幾十年來，研究人員們也一直在將人體部件（如器官、細胞或基因等）引入其他動物。brivanlou說，這通常是為了更好地了解生物各器官系統的工作原理，或者探尋疾病的治療方法。癌症研究人員經常將人類腫瘤移植到小鼠體內，而且自上世紀80年代後期以來，科學家們已經培育出具有人類免疫系統的小鼠[1]。

科學家將人類類器官（亮綠色）移植到小鼠大腦中，以研究神經元細胞在健康和疾病背景下的細胞行為。來源：abed mansour

另一個目的則更實用：設法在動物身上培育出與人體相容的器官，以緩解器官移植中供體器官的短缺。在過去的幾個月里，研究人員已經將轉基因豬腎和豬心移植到人類體內。

但實現了使細胞長期存活的人類神經元細胞移植，直到近十年間才出現。2013年，布魯塞爾自由大學的神經科學家pierre vanderhaeghen和同事完善了從幹細胞培育出人類神經元細胞的精細過程[2]，使它們移植後既能在小鼠大腦中茁壯成長，也不會生長失控。

科學家用兩種人類幹細胞來製造嵌合體的神經元細胞：一種是最初源自胚胎的胚胎幹細胞（es細胞）；另一種是誘導多能幹細胞（ips細胞），其來源於被重編程至「胚胎樣」狀態的成體細胞。這兩種細胞都具有潛力，可以發育為體內任何類型的組織，並且能引導發育為神經元。「與過去移植的其他類型細胞相比，源自人類多能幹細胞的這些更具可塑性。」hyun說，這或許能讓這些人類細胞更好地整合進動物體內。

美國國立衛生研究院曾於2016年提議，對利用含有人類細胞的動物胚胎所開展的研究，撤銷對其資助的禁令。公眾評論隨即大量湧入，以反對居多（目前該資金禁令仍然有效）。但2020年在430名美國人中所進行的一項調查發現，59%的人支持「人-豬」嵌合體胚胎研究，其目的是實現在豬體內生產人體組織[3]。

豬體內有人類腎臟或肝臟組織是一回事，換成神經組織可能就沒那麼容易接受。「人們把大腦和道德地位聯繫在一起。」hyun說。而研究者們表示，儘管這些研究都沒有朝在動物身上產生人類樣認知這一方向邁進，但上述關聯正在使他們重新思考——到什麼程度上，動物大腦會接近到過於像人的界限，而造成社會的憂慮？

混合大腦細胞

在過去的五年中，研究人員開發了多種製造神經嵌合體的方法。它們在複雜性上各不相同，從移植單個人類神經細胞或一塊體外培養的腦組織，到結合兩個物種的胚胎從而試圖從頭開始生成嵌合腦組織。

要觀察工作狀態中的人類神經元細胞，最簡易的實現方法是每次移植數個細胞。vanderhaeghen 的研究團隊目前供職於比利時佛蘭德生物技術研究所（vib）-天主教魯汶大學（ku leuven）的大腦與疾病研究中心，利用體外培養es細胞中獲得的錐體神經元（人類大腦皮層中數量上最多的一類神經元細胞）進行這類研究。他們想知道這些細胞在較長的時間尺度下是如何在活體生物中形成連接。「我們想知道那些在培養皿中接受『訓練』的神經元，轉移到大腦的『戰場』中會如何表現。」vanderhaeghen說。

他的團隊與弗蘭德斯神經電子學研究所的vincent bonin團隊合作，將以分散的單細胞而非細胞團塊形式存在的一些神經元細胞的「細胞湯」移植到新生小鼠的大腦皮層中[4]。

移植到小鼠大腦兩個月後的人類腦細胞及其細胞核。來源：raquel real, manuel peter, rick livesey and vincenzo de paola

人類神經元細胞以慣常時間成熟，花上6到12個月，而他們周邊作為其「鄰居」的小鼠神經元細胞僅需要5周。vanderhaeghen說，即使在小鼠的大腦環境中，這些人類細胞卻仍堅持按照自身的漫長時間線發育。「這表明，較長的發育時間編碼於內部，在於這些神經元自身。」

該研究團隊發現，人類神經元細胞不但能夠正常發育，而且還能夠整合到小鼠的視覺迴路中並發揮相應功能，其所做出的反應與小鼠神經元細胞對同一視覺刺激（例如移動的黑白條）所做出的反應一致。人類神經元在其他大腦中能夠定植並正常工作，這一發現令人驚訝，還意味着未來也許能夠用細胞移植修復受損的大腦迴路。

「我們預計會有些連接，但我們對這些細胞反應所具有的特異性感到非常震驚，」bonin說，「本來可能有一百萬個失敗的辦法。」

該團隊還將健康人類神經元移植到具有阿爾茨海默病遺傳易感性的小鼠的大腦中。該研究[5]表明，人類神經元細胞在患病小鼠大腦中會發生退變，但原本的小鼠神經元細胞仍保持存活。這一工作不僅證實了人類神經元細胞特別容易受到阿爾茨海默病的影響，而且還為研究人員提供了一種方法，觀察人類神經元細胞在患病大腦中發生了什麼。

de paola 還在新加坡的杜克-新加坡國立大學醫學院運營一個研究團隊，致力於研究人類神經元細胞如何相互連接，以及在發育障礙中這些連接如何受到破壞。他的團隊曾把人類ips細胞製得的錐體神經元細胞移植至成年小鼠的大腦體感皮層[6]。

與vanderhaeghen所做的移植不同，de paola的移植在小鼠大腦中最終生長成了密集的人體組織微移植物，而且一直存活到5個月後實驗結束。「我們對生長量感到驚訝，它形成了一個龐大網絡，」de paola說，「當然了，『龐大』是相對而言，實際上大概和一個大的濱豆差不多。」

de paola表示，被移植的細胞所產生的連接大部分都是發生在被移植細胞之間的（超過90% 的連接是被移植的人類細胞相互之間的），但這些人類細胞也確實向小鼠大腦皮層的其他部分發出神經投射，並從小鼠大腦中接受了一些神經投射、血管和免疫細胞。這些支持使這塊組織能夠持續發育達5個月，並能做出那些預期出現於發育中人類胎兒大腦的行為，即修剪神經元細胞分支和細胞間連接，並開始以協同方式放電。

de paola的研究團隊還利用由唐氏綜合征患者的細胞所製成的神經元進行了同樣的移植實驗[6]。他們發現這些神經元所形成的動態網絡較少，且神經活動較低，但目前尚不清楚這兩個特徵之間存在怎樣的聯繫（如果確有聯繫的話）。該團隊目前正在進行後續研究。「我們能用這一模型進行實驗。顯然我們不能在成人或胎兒大腦中做這個實驗。」de paola說。

這些研究團隊的移植能否以某種方式將小鼠的視覺或感官感知，使之變為某種更近似人類的版本？上述兩個研究團隊都沒有對移植小鼠的認知或行為進行過測試，但他們都報告說，這些小鼠的行為與未接受移植的同伴大致一樣。對於少量人類神經元和神經連接是否有可能改變小鼠認知，de paola和vanderhaeghen都持懷疑態度。「我認為即使同時刺激數千個人類細胞，也激發不了人類的行為或感知。」vanderhaeghen說。但他和de paola認為，從事該領域工作的人應嘗試確定可能造成上述改變的轉折點。

長存的類器官

在實驗室內的人類腦組織研究領域，一項重大進展是大腦類器官的興起，即大腦幹細胞在3d培養中生長形成的自組織結構。

自 2013 年madeline lancaster和jürgen knoblich[7]首次創造大腦類器官以來，它們變得日益複雜。一些研究人員甚至將多個類器官拼接成「類組裝體」（assembloids）。

美國斯坦福大學的神經科學家sergiu pasca 認為，類器官所具有的複雜性使其足以用於提出許多與人類大腦有關的科學問題，但即使是「組裝體」也遠未達到真實人類大腦的複雜性。他認為這是因為他們缺乏感覺性輸入信號、血管、免疫細胞和支持細胞，也無法收到反饋。此外，一旦類器官的結構大小超出3-4毫米，處於中間位置的細胞就會由於缺少來自細胞培養液所提供的營養而死亡。很難支持它們生長超過過幾個月。

為了克服這些限制，神經科學家們已開始嘗試將類器官移植到動物的大腦中，以便更密切模擬人類大腦迴路的複雜性，以及他們在疾病中出現的錯誤。

類器官，例如圖中所示（一個由人類神經元製成的類器官），已被移植到動物大腦中，以研究神經元細胞之間如何連接和交流。來源：ilaria chiaradia

美國索爾克生物研究所的神經科學家rusty gage小組成功地將人類類器官移植到小鼠大腦中，並使其存活長達11個月，這幾乎達到了小鼠整個生命周期的時間長度[8]。他們利用該系統獲得的一些尚未發表的研究結果表明，人類神經元從類似胚胎的狀態得以發育成熟，達到了類似於嬰兒神經元的更為複雜的狀態，並最終展現出成人神經元的一些特徵。人腦組織整合到了小鼠大腦中，其組織內部有血管的生長，組織中的神經細胞發育成熟並能對刺激做出反應，甚至與小鼠神經元形成了稀疏但有效的連接。

與gage共同工作並參與建立類器官移植的博士後研究員abed mansour表示，對於阿爾茨海默病等神經退行性疾病中神經元所發生改變的相關研究而言，該研究系統具有優勢。類器官移植中的人類神經元會向宿主大腦發出很長的投射。「這有可能成為一個很好的研究系統，用以探尋健康的人類神經元和受疾病影響的神經元在發生這個過程上有何不同。」mansour說，他現在在以色列希伯來大學醫學研究所帶領自己的研究團隊。

gage的團隊目前正計劃將由阿爾茨海默病患者來源的細胞所製成的大腦類器官移植到健康小鼠大腦中，以及反過來，將由健康人來源的細胞所製成的類器官移植到阿爾茨海默病疾病造模的小鼠大腦中。該研究的目的是弄清究竟是哪些細胞（神經元細胞本身，或者諸如星形膠質細胞等其他細胞）導致了該病中的炎症。

「這是我們首次能夠在疾病背景下監測活的人腦組織。」gage說。他說，這項研究未來可能會促成個體化的類器官移植治療，以替代患病或受損的腦組織。

在lancaster看來（她現為英國劍橋mrc分子生物學實驗室的發育生物學家），類器官移植有其用武之地，但她敦促研究人員要仔細檢查他們所正在進行的動物實驗，並確保它們是正當合理的。「作為研究人員，我們需要小心謹慎。該領域目前十分熱門，正在出版大量論文。」她說。

至於類器官的倫理地位，當它們還在體外的培養皿中時，它們基本上僅被認為是一類複雜的3d細胞培養物。lancaster、gage和其他研究者都認為它們並不具備人類的感知、感覺或認知等方面的能力。而且gage表示，即使是移植進入體內的類器官，由於其與機體的整合併不好，也不足以賦予任何有意義的「人性」。

嵌合體胚胎

另一種在活體動物中研究人類大腦發育的方法，是將人類組分添加到處於發育的最早期階段的另一動物胚胎中。一些研究團隊試圖製造人-動物嵌合胚胎來研究器官發育，以期有一天製造出用於移植的器官。

其中一種製造方法是將人類幹細胞添加到受精後僅數天的動物胚胎中，此時這些胚胎僅是處於細胞分裂中的小細胞球。科學家們已經在嚙齒動物、牲畜，以及與人類親緣關係更為密切的猴子（一項2021年存在爭議的研究）[9]中進行了嘗試。然而，要麼這些嵌合體胚胎的發育無法超出極早期階段，要麼其中的人類細胞迅速死亡。科學家們認為，來自這些異種動物的細胞之間差異過大，以至於無法出現胚胎細胞發育必需的緊密共存與交流。

還有另一種製造可移植器官的方法，該方法也許未來有一天可以用來製造科學研究和疾病治療所需的腦組織。在一種稱為囊胚互補的方法中，科學家們使用一種稱為囊胚的稍晚階段的胚胎，在其中引入一些基因突變來阻止它形成某個特定器官，例如胰腺。然後他們從另一隻動物身上取出可以產生該器官的幹細胞，並將之注入囊胚。

幹細胞生物學家中內啟光（hiromitsu nakauchi）的研究團隊分屬斯坦福大學和東京醫科齒科大學兩地，該團隊已使用囊胚互補技術在大鼠胚胎中培養出了小鼠胰腺[10]。「某種意義上說，我們正在使用胚胎作為生物反應器，因為這些胚胎應該『懂得』如何生成器官」，中內說。

動物囊胚究竟能否在攜帶人類胰腺、腎臟或大腦區域的同時做到正常發育，一直是一個懸而未決的問題。加州大學舊金山分校的分子生物學家bjoern schwer認為，當人類細胞從一開始就混入胚胎時，生命體往往無法正常發育；但在為某種器官或組織創造出了特定的微環境時，可以使人類細胞更易於促成生命體的發育。囊胚互補尚未在人類神經幹細胞上進行過嘗試，但schwer的團隊和其他研究者正在考慮進行有關的初步實驗。他的首個研究問題是，一片源自非人靈長動物的腦組織是否可以在嚙齒類動物的胚胎中生長。

schwer的研究組已經使用囊胚互補技術來製造小鼠-小鼠嵌合大腦。在2018年與哈佛大學醫學院 frederick alt 研究組的合作研究中，研究人員使用該技術在一種品系的小鼠胚胎中培育出另一品系小鼠的整個前腦區域[11]。

「這是一個相當模塊化的研究系統，我們能夠以不同方式使用它來去除與替換各種不同的大腦區域。」schwer表示。例如，用非人靈長類動物的某一大腦區域（而不是人類腦細胞）替換小鼠大腦的相應部分，這樣可以為研究人員提供一種更簡單、且更符合倫理的方法，以在體內研究與人類相應腦區近似的猴子腦區發育過程。schwer已獲得他所在大學的批准，可以嘗試使用獼猴和狨猴的胚胎幹細胞，在小鼠大腦中製造一小片靈長類動物前腦。

他也正在思考如何在符合倫理要求、並滿足技術可行性的前提下，使用囊胚互補技術在處於發育階段的小鼠大腦中培養出一塊人腦組織。這樣的實驗可以測試諸如某些突變如何促進人類腦腫瘤的生長，也許能找到關閉這些突變的方法。

「我們還沒有走到這一步，但算是有希望。」schwer說。和其他神經嵌合體的研究者一樣，他不認為小鼠大腦中的一小塊人腦組織，會導致類似人類的認知。

跨越認知界線

然而，恰是這樣的可能性讓倫理學家和社會公眾擔憂。生物倫理學家，美國威斯康星大學麥迪遜分校名譽教授alta charo說：「神經的組合，觸及了使我們成為『人類』本質的東西——我們的心靈、我們的記憶與自我意識」。她認為，像人類思想禁錮於動物體內、或具有半人類大腦的生物，公眾會對這樣的概念產生不安。

她和其他倫理學家認為，公眾對於理解為何進行此類研究的原因方面，存在很大的認知差距。她說，神經嵌合體領域的研究人員應該經常向公眾分享他們的工作，例如參考pasca所作的ted風格演講。charo認為，隨着研究不斷推進，研究人員將不得不考慮人腦組織在達到多高的比例時，就可能開始在體外培養中向認知功能的出現邁進，或在小鼠體內引發類似人類的特徵，還有至何時就可能會給動物增添情緒壓力或痛苦。