劍橋大學的科學家們創造了微型實驗室培養的腦部和脊髓系統，模擬人類神經系統中運動訊號的傳遞方式。利用這個模型，研究團隊發現，過去認為是永久性的神經損傷，在特定條件下實際上是可以逆轉的。
隨著人體從胚胎發育為胎兒，最終成為嬰兒，神經元會在腦部和脊髓之間形成複雜的通訊網絡。這些訊號透過軸突傳遞，軸突是神經元用來傳送訊息和控制肌肉運動的長神經纖維。
然而，隨著時間推移，中樞神經系統很大程度上會失去再生受損軸突的能力。因此，腦部或脊髓的損傷通常會變成永久性的，導致嚴重的殘疾，例如癱瘓或喪失運動能力。這種再生能力的喪失也與神經退化性疾病有關，包括運動神經元疾病和多發性硬化症。
微型人體腦部與脊髓模型
2021年，安德拉斯·拉卡托斯博士（Dr. András Lakatos）及其在劍橋大學的同事們利用從患者身上提取的幹細胞，開發了微型人體腦部模型。這些豌豆大小的「腦類器官」模擬了部分大腦皮質，讓研究人員能夠研究與運動神經元疾病相關的分子變化，並探索預防方法。
現在，在一項發表於《Cell Reports》的新研究中，研究人員透過建構一個連接的微型人體腦部與脊髓系統，擴展了他們先前的工作。
由於腦部和脊髓在體內是獨立但相互連接的結構，研究團隊在實驗室中將類器官物理上分開。然後，他們觀察到來自腦部組織的軸突跨越間隙生長，並連接到脊髓組織。由此產生的神經迴路功能足夠強大，能夠觸發微小肌肉細胞簇的收縮。
神經再生在發育過程中下降
科學家們在實驗室中維持這些微型系統超過一年。他們發現，直到大約懷孕中期（約第150天），受損的軸突仍然能夠再生。在那之後，神經元再生能力出現了顯著下降。
來自劍橋大學臨床神經科學系的喬治·吉本斯（George Gibbons）是該研究的第一作者，他說：「從較不成熟的類器官中提取的神經元在受傷後能再生長纖維，但從較成熟的類器官中提取的神經元再生能力卻急劇下降。換句話說，隨著人類神經元在中樞神經系統中成熟，不良的再生能力就內建其中了。」
研究團隊分析了連接腦部和脊髓的神經元基因活性。他們的工作揭示了一個基因網絡，這個網絡就像一個生物開關，限制了神經元成熟和形成突觸時的軸突生長。
值得注意的是，當研究人員阻斷這個網絡中的關鍵調節因子時，神經元重新獲得了生長軸突的能力。
現有藥物促進神經再生
研究人員還搜尋了一個藥物化合物資料庫，以識別影響這個新識別基因網絡的藥物。其中一個有前景的候選藥物是炔諾酮（lynestrenol），一種目前獲准用於治療某些月經失調和避孕的荷爾蒙藥物。
當該藥物在受損神經元上進行測試時，它顯著改善了軸突的再生。
科學家們指出，疤痕組織和發炎也會干擾受傷後的神經修復。然而，理解限制神經再生的神經元特異性生物機制仍然至關重要。先前的證據表明，較年輕的神經元可以穿過通常會阻礙損傷部位修復的環境。
該研究的資深作者、臨床神經科學系的安德拉斯·拉卡托斯博士說：「當腦部和脊髓受損時，從腦部傳遞運動訊號到脊髓的神經纖維很少能重新長回來。這就是為什麼癱瘓通常是永久性的。但我們確切不知道軸突的再生能力是什麼時候受到限制的。我們的模型提供了很好的跡象，表明這種阻礙發生在發育過程中，而且在此之後仍然可以被逆轉。」
「炔諾酮本身可能不是脊髓修復的答案，但它向我們表明，原則上，可以直接靶向人類神經元並再生其軸突是可能的。儘管我們仍需證明這種策略也能幫助重建腦部和脊髓細胞之間的適當連接，但這讓我們有希望有一天能夠治療過去認為無法治癒的疾病。」
類器官技術在研究人類生物學和疾病方面變得越來越有價值。雖然像小鼠和大鼠這樣的動物模型在研究中仍然有用，但重要的生物學差異限制了它們在多大程度上準確地反映人類神經系統的功能。
人類幹細胞衍生的類器官可以更準確地複製人類生物學，有助於彌合動物實驗與真實患者結果之間的差距。
拉卡托斯博士補充說：「我們對神經再生的許多了解來自於囓齒動物，牠們的神經元行為與人類神經元不同。我們複雜的類器官模型有助於彌合從動物模型到我們在患者身上看到的知識鴻溝。它們也是減少研究中使用動物努力的重要貢獻。」
劍橋大學的研究人員已經在使用類器官進行廣泛的醫學研究，包括修復受損肝臟、研究兒童的克隆氏症以及研究懷孕的早期階段。
該研究由英國研究與創新醫學研究委員會和脊髓研究基金會資助。