五岁孩童的大脑正推动着治愈儿童致残性遗传疾病的突破性研究。丹妮丝·卡伦探索了个性化医疗的前沿领域。本文最初发表于《宇宙》印刷杂志2024年9月刊。
脑类器官。图片来源：汉娜·利森。
打开昆士兰大学澳大利亚生物工程与纳米技术研究所（AIBN）四楼锁闭实验室的培养箱，您会发现数百个属于五岁女孩塔卢拉·穆恩的微型"大脑"。这些微型结构整齐排列在培养皿中，浸泡在含有盐分、糖类、维生素和生长因子的溶液里，每个仅有生 couscous（粗粒小麦粉）颗粒大小。
尽管体积微小，它们却能睡眠和做梦，生长并变化，形成新的突触连接并修剪旧连接。若将它们连接至脑电图（EEG），会显示出与真实人类相同的α、β和γ脑电波。
虽然研究人员通俗地称其为"迷你大脑"，但AIBN高级研究员汉娜·利森承认这有些名不副实。"这些是皮质类器官，没有中脑或后脑，也没有小脑，"她解释道。更准确地说，它们是脑类器官——由干细胞体外培育而成的微型简化皮质脑组织部分，能在较小规模上模拟真实大脑的结构和功能。
五年来，利森一直通过观察这些类器官的电活动，试图破解其中奥秘。这些类器官源自塔卢拉三岁时的皮肤细胞。当时她被诊断出患有罕见遗传病——遗传性痉挛性截瘫56型（SPG56）。这种退行性疾病导致下肢进行性无力和痉挛（僵硬），源于塔卢拉3万个基因中仅一个基因（CYP2U1基因）的突变。
SPG56通常以常染色体隐性方式遗传，意味着塔卢拉从父母双方各继承了一个突变基因副本才会发病。她的哥哥则完全健康。对塔卢拉父母克里斯和戈尔登·惠特罗德而言，噩梦始于2020年她14个月大时。短短数月内，这个聪慧的幼儿退化到只能爬行，随后甚至无法说话或抬头。
"当她开始被食物和饮料呛到时，我们陷入极度恐慌，迫切需要神经科医生、血液检测、核磁共振和神经传导研究的转诊，"戈尔登在家庭网站"Our Moon's Mission"上声明道。经过数月医学检查，全基因组测序（WGS）扫描了塔卢拉体内每个基因，最终锁定致病突变。令人绝望的是：当时既无治疗方法也无治愈方案。
2021年8月，穆恩家族成立了慈善基金会"儿童基因治愈"，首要任务是为SPG56寻找治愈方法。2021年，克里斯和戈尔登与AIBN研究人员会面，规划前进路线。AIBN高级小组负责人恩斯特·沃尔维唐指出，动物模型不太可能提供答案："这种疾病的小鼠模型表现正常，照样四处走动，尽管缺失了与这些最终坐轮椅、病重儿童相同的基因。对于影响大脑的疾病，小鼠模型根本无法有效重现病症。"
研究人员的注意力随后转向探究突变如何产生影响，以及基因疗法如何缓解症状。
基因疗法途径
惠特罗德家族与恩斯特·沃尔维唐。图片来源：提供。
利森首先通过简单的皮肤活检获取塔卢拉的皮肤细胞样本。随后，她运用突破性的诱导多能干细胞（iPSC）重编程技术，将这些细胞逆转至多能状态——此时细胞具有发育成体内任何细胞类型（包括脑细胞）的潜力。她同样采集了塔卢拉父母的样本作为对照组。利森估计，她已为塔卢拉、克里斯和戈尔登各自培育了约800个脑类器官。撰写本文时，她正创建数百个新类器官。
通过多组学分析（整合基因组学、转录组学、表观遗传学和蛋白质组学数据）仔细观察比较脑类器官，并利用多电极阵列测量神经元活动，她试图找出疾病特有的异常表现。"我在寻找患者特有的差异，因为若发现差异，就有了评估治疗效果的衡量标准，"利森解释道。
研究显示，塔卢拉突变的CYP2U1基因以不同方式代谢葡萄糖。利森还观察到对健康脑功能至关重要的脂肪酸水平变化。"正常情况下，糖分子进入柠檬酸循环生成三磷酸腺苷（ATP），"她解释道。ATP是细胞代谢中的关键分子，充当主要能量来源。"这些细胞似乎不遵循相同机制。"
经过两年调查，这些零散信息才得以拼凑完整——但诸多未知仍存。"我们尚未完全弄清CYP2U1如何调控这些过程，或为何导致痉挛性截瘫。但现在有了突破口——我们发现了患者与对照组的差异。"
莫希塔·辛格（左）与汉娜·利森（右）。图片来源：提供。
罕见病有多普遍？
SPG56只是约7000种罕见病之一——这些危及生命或慢性致残的疾病仅影响小部分人口。根据澳大利亚联邦卫生与老龄护理部定义，在澳大利亚，患病率低于万分之五的疾病被视为罕见病。
除SPG56外，还存在其他形式的遗传性痉挛性截瘫。综合而言，它们仍极为罕见，全球每10万人中仅0.1-9.6例，且患者多为儿童。与其他罕见病类似，准确诊断耗时较长，因这些疾病复杂、医生接触频率低，且需基因组测序才能识别突变。
与此同时，大型制药公司对投入罕见病研究兴趣寥寥。由于受益人群规模小，其研发投资难以回收。即便药企愿意投入，沃尔维唐也指出了研究罕见病的实际难题："临床试验根本不可能进行，因为澳大利亚仅有五名患儿，"他指出（塔卢拉实为澳大利亚唯一已知的SPG56患儿）。"双盲安慰剂交叉对照设计的临床试验？别想了。"
然而，综合统计显示约8%的澳大利亚人患有罕见病，使其意外地普遍。鉴于五分之四的罕见病属遗传性，快速发展的基因疗法有望为SPG56及其他众多罕见病患者带来希望。
基因疗法凸显了现代医学向个性化医疗的迈进——该模式聚焦个体在基因、环境和生活方式上的差异，量身定制诊断、治疗和预防策略。因此，它颠覆了传统"一刀切"的医学研究与治疗模式，后者在新冠疫苗全球大规模接种竞赛中体现得最为明显。
开发"特洛伊木马"
在确定塔卢拉脑类器官与其父母样本的代谢与电活动差异后，下一步是将功能性基因递送至替代缺陷基因。
"问题在于人体测试极其困难，因为你只有一次机会，"沃尔维唐说。功能性基因通过病毒载体——常见腺相关病毒（AAV）——递送，该病毒经改造后装载目标基因。
"这就像特洛伊木马，"沃尔维唐比喻道。AAV用于将正确基因副本"潜入"细胞。载体被置于脑类器官周围的溶液中——相当于通过脑脊液递送药物的实验室版本。
2023年，利森与学生助理莫希塔·辛格进行了一系列检测，确认基因疗法对脑类器官无毒性影响。他们即将验证引入功能性基因的效果。
"我们知道它无毒，但替换该基因真能解决问题吗？"利森发问。"我们递送的基因剂量足够吗？是否进入足够多的细胞？"
另一个悬而未决的问题是：SPG56的有害影响能否逆转，抑或基因疗法需在发育关键期前引入？"塔卢拉五岁了，而我没有五岁儿童的脑类器官，因此无法解答这类问题，"利森坦言。"当我们最终将基因疗法注入塔卢拉体内时（预计明年进行），存在诸多未知因素。"
尽管强化物理治疗帮助塔卢拉对抗SPG56保留了部分肌肉功能，但她目前仍需轮椅代步，基因疗法能否显著改善其状况尚不可知。利森希望如此，并谈及塔卢拉时充满温情："她坐着轮椅飞驰，喜欢悄悄跟在人身后轻敲脚踝玩捉人游戏，觉得这很有趣。"
踏入未知领域
在希望高涨之际，成功并无保证。尽管基因疗法已用于治疗多种疾病，但塔卢拉的治疗方案将是首个在脑类器官中测试的疗法——这带来了不确定性。
"我们不知道脑类器官的反应是否与患者一致，"利森表示。然而，疗法改变生命的诱人前景使这些考量显得微不足道。"我们所知甚少，"利森说，"但这项工作能改变人们的生活——这既令人振奋又意义重大。"
本文最初由《宇宙》杂志发表，题为《研究人员利用脑类器官培育个性化疗法》。
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