一个由高中生发明的反应器培养出大量微型大脑 | Spectrum
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翻译：岳川
宋鸿钧（音译，Hongjun Song）一开始并未注意到来自克里斯托弗·海迪阿诺（Christopher Hadiono）的第一封电子邮件，这位高中生希望能在位于巴尔的摩的约翰霍普金斯大学的实验室度过2013年的夏天。宋鸿钧能够得到的回报似乎不值得填申请，更不用说还要帮一个16岁的纽约人找房子。“我的想法是，好吧，等等看。如果他是认真的，他会再问我一次。”神经病学教授宋鸿钧说道。
接下来宋鸿钧收到两封电子邮件、一封信和一通电话，他知道这并非海迪阿诺的草率决定。他填好申请并安排海迪阿诺住进学校的宿舍。他认为高中生会用稀奇古怪的实验提供帮助，接下来发生的事则完全是个惊喜。
“我想我会用干细胞和移液器，”海迪阿诺说，“结果是我做了一些截然不同的东西。”
在几周内，他已经掌握计算机软件，并通过3D打印机制作机器零件。夏天结束时，他制造的设备可以增长数百个脑组织体——“微型大脑”——模仿人类大脑神经元层的细胞球体。不到四个月后，那些大脑已经可以用来进行分析。
“我很震惊。”宋鸿钧回忆起放在工作台顶部的机器运转的时刻时说道。
婴儿生物反应器
这个机器的功能就像微型生物反应器，给细胞提供营养并保持它们生长的理想温度。这个量身定做的精巧装置的成本大约400美元，能比2000美元的市售版本容纳两倍多的微型大脑——而且它的小尺寸和低成本允许研究人员并行运行多个设备。与传统生物反应器相比，新机器还可以将组织体暴露在约两倍的不同实验条件下，例如不同的药物或小分子。
“我们认为即使是生物技术研究生也不可能将这种情况变为现实。”宋鸿钧说。没有博士论文的束缚，高中生有时间和精力创新， “一旦你有好的想法，它就可以改变一切。”
迄今为止，宋鸿钧和他的团队使用微型生物反应器揭示寨卡病毒如何干预正在发育的前脑。他们指出，病毒在孕中期杀死神经干细胞并细化脑结构，造成小脑袋的发育，即众所周知的小头畸形。一篇发表在4月21日的《细胞》上的论文介绍了这些研究结果，以及被称为“SpinΩ”的生物反应器的设计图。
微型大脑的大量生产能造福于药物的研发，允许不同的药物同时进行测试以评估它们对脑功能的影响。
“这项协议的巨大优势是它允许更多快速筛选和鉴定，以更好地研究各种神经发育障碍症的神经发育，并筛选靶向药物。”加州大学旧金山分校的眼科学和生理学助理教授埃里克·尤利安（Erik Ullian）说。埃里克没有参与这项研究工作。
Xuyu Qian / Johns Hopkins Medicine
但是一些研究人员认为，这个新工具在取代传统生物反应器之前还需要额外的测试。
“这个方法让我非常激动。”耶鲁大学神经科学教授弗罗拉·瓦可瑞诺（Flora Vaccarino）说，她也没有参与这项研究，“话虽如此，我本来希望他们用更精确的方法展示结果。”
自科学家创造出微型大脑已有五年。其制作过程包括诱导人身上的皮肤细胞或其他组织的细胞形成诱导多能干细胞（iPS），然后将干细胞分化为神经元。研究人员在液体中培养神经元，随着细胞的生长它们便自然地聚集在一起。接着研究人员添加人类前脑中的组织层所需的生长因子。
微型大脑提供了一个测试神经系统疾病新药物的便利平台，也得以让研究人员验证自闭症起源的假设。但是，这些“大脑”很难生长。研究人员通过使用蛋白质凝胶和各种化学剂改进微型大脑的生产，让大脑的还原更加逼真。SpinΩ是扩大对这些组织体研究的一种尝试。
SpinΩ的一个秘密是对试剂的微量需求。与商用生物反应器的每个玻璃烧瓶所需的120毫升培养液相比，该设备的标准12孔细胞培养板中的每个孔只需要2毫升富含蛋白质的培养液。
重大进展
这些设备——钉、齿轮和培养板——小到足以堆叠三层高并仍然能够置于迷你冰箱大小的培养箱内，允许接近1000个微型大脑立即生长。只有培养箱的尺寸限制培养板可被堆叠的数量，宋鸿钧说。与此相反，商用生物反应器可以容纳最多五个玻璃烧瓶，并能稳定生长总共100个微型大脑。
SpinΩ微型大脑生长了大约100天，存活了200天，与在传统生物反应器中的细胞的存活时间一样。
宋鸿钧的实验室目前大约有13个微型反应器运行，它们中的大多数都来源于自闭症患者的iPS细胞。他计划用培养的组织体揭开与自闭症相关联的突变如何影响大脑发育。自闭症患者的神经元是不是进入了错误的大脑层？是神经元造成了错误的连接吗？
这个由学生制造的机器已经激起了著名干细胞科学家的兴趣。
斯坦福大学分子和细胞生理学教授托马斯·苏道夫（Thomas Südhof）称这项发明为“一大进步”。
另一个对微型大脑持不同意见的人塞古·帕斯卡（Sergiu Pasca）与苏道夫一样兴奋，“这些优雅的工作的确是3D大脑培养物领域的一个重要进步。”帕斯卡说，他是斯坦福大学精神病学和行为科学助理教授。
尽管对这个新设备很热情，瓦可瑞诺希望看到更多的数据显示微型大脑如何切合实际。在第54天，SpinΩ中出现的球体包含类似那些在9周龄胎儿的前额皮质中发现的区域，即涉及认知的区域。在第100天，它们类似于35周大的胎儿。瓦可瑞诺不知道细胞层是否包含生物学相关数量的神经元。她也想看到干细胞分化成通过化学信使γ-氨基丁酸（GABA）交流的神经元的更强有力的证据，这些都与自闭症有关。
惊人思维
在宋鸿钧的实验室里收获成果后，海迪阿诺回到纽约的高中，现在在俄亥俄州的凯斯西储大学学习工程学。但是宋鸿钧迅速寻找新一波有才华的年轻人来填补海迪阿诺的空缺。他说高中生提供了很难在成人中找到的技能和观点。
“他们比我们更了解编程和3D打印那些酷玩意。”他说，“他们用不同的方法设计，不像我们所受的训练那样局限。”
宋鸿钧每个夏天接待至少三名高中生，与此同时他还带领一个由研究生、博士后、技术员和年轻研究教员组成的团队。他说当谈到创新时，每个组都有不同的思维模式，研究生和技术员渴望掌握现有的协议，博士后则感到创造成果和找工作的压力，因而更倾向于规避风险。
但是高中生“无所畏惧”。宋鸿钧说：“他们做的任何事都是成功的，所以他们非常兴奋，这就是这些发明很早就出现的原因。”
瓦可瑞诺在SpinΩ上看到了年轻而令人吃惊的思维。她指出，选择在实验室而非海滩上度过夏天的高中生往往会聪明、充满激情和动机。“他们有那些博士后和资深科学家所没有或不去真正推动的想法。”她说。
宋鸿钧说每次和这些年轻天才之一道别都感到难过，但自己的儿子麦克斯尤其难以割舍。麦克斯即将从马里兰州克拉克斯维尔的河山高中毕业，去年夏天他和父亲一起在实验室工作，并在这个学年继续在实验室兼职，他也是这篇发表在《细胞》上的论文的作者之一。
麦克斯不久后会成为马萨诸塞州沃尔瑟姆市的布兰迪斯大学的新生，但宋鸿钧的女儿玛吉还要等一两年才能上高中。
1.Qian X. et al. Cell (2016) In press
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