2025年10月12日发布 | 1732阅读

​神外历史上的今天|攀登人类脑组织培养之峰的先驱

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1883年10月12日,142年前的今天,人类脑组织培养研究先驱玛丽·简·霍格(Mary Jane Hogue)诞生。在中枢神经系统疾病的研究中,玛丽·简·霍格倾尽一生发展出的人类脑组织培养技术,是利用中枢神经细胞开展研究的关键台阶。在20世纪四、五十年代,霍格的研究从动物转向了人类脑组织培养,她也成为第一个从人类胎儿、婴儿和成人大脑外植体中培养细胞的开拓者。在那个年代,女性在研究中往往面对着诸多不公,而霍格则不惧风雨,在人类脑细胞培养研究中做出了开创性的贡献,她对神经母细胞和/或胶质母细胞的推测鉴定以及她利用培养物研究出的脊髓灰质炎病毒的细胞病变效应,为这一领域的后来者挖掘出了一条珍贵的捷径。



玛丽·简·霍格出生于美国宾夕法尼亚州西切斯特的一个贵格会家庭。霍格青年时就读于西切斯特友谊学校,1901年她考入美国知名综合性私立文理学院古彻学院(Goucher College),并于1905年获得学士学位。大学毕业后,她在布林莫尔学院(Bryn Mawr College)进行了为期两年的轮虫再生和海星卵发育的研究。随后,霍格获得古彻学院的校友协会奖学金,并前往德国维尔茨堡大学,与知名发育生物学家西奥多·博弗里(Theodor Boveri)及他的妻子玛塞拉·奥格雷迪(Marcella O’Grady)一起工作。实际上,在19世纪末20世纪初,女性面对着来自各行各业的歧视,女性科研人员更是少之又少,能够前往德国攻读高级学位的女性寥寥无几,而霍格就是其中之一。当时,维尔茨堡大学不允许女性成为正式学生,只允许旁听课程,但凭借自身努力和西奥多·博弗里的支持,霍格得以在1907年秋天抵达德国,并在西奥多·博弗里的实验室中开展受精蛔虫卵的研究工作。1909年,霍格从维尔茨堡大学获得博士学位,随即返回美国。接下来的十年间,她先后在查塔姆大学(Chatham University)和哥伦比亚大学等多所知名学校或研究所开展对各种生物的研究。这些看上去与人类生理毫无关系的工作,使霍格的学术研究素养得到了极大的提升。1919年,影响霍格整个职业生涯的转机出现了。


霍格与美国著名细胞生物学家和胚胎学家玛格丽特·阿黛琳·里德·路易斯(Margaret Adaline Reed Lewis)是古彻学院的校友,两人在机缘巧合之下建立起了亲密的友谊。1919年4月,玛格丽特想安排霍格在她位于华盛顿特区的卡耐基研究所胚胎学系的实验室里一起度过有趣的研究时间。1919年4月22日,卡耐基研究所胚胎学系主任乔治·L·斯特里特(George L. Streeter)给霍格寄去一封诚挚的邀请函,信中说:“在与路易斯夫人商谈有关邀请您前来加入研究一事之后,非常高兴地通知你们,您可以和路易斯夫人一起分享实验室的使用权,部门每月会为您提供75美元的费用,您会有三个月的研究时间,在这段时间里,您无疑会取得相当大的进步。我相信您会发现路易斯医生和太太正在做的工作非常有趣。



在参与了好友的研究后,霍格才知道斯特里特形容这项研究的“非常有趣”一词到底意味着什么。在她加入前,玛格丽特正在研究鸡胚胎肠道在组织培养中暴露于伤寒芽孢杆菌时空泡的形成。这项研究后来成为通过组织培养技术研究细胞病理学的奠基之作,霍格则在实验中负责准备研究所需的鸡胚胎肠道组织培养物。路易斯夫妇认可了霍格的研究能力,玛格丽特的丈夫沃伦·哈蒙·路易斯(Warren Harmon Lewis)评价道:“霍格制备的培养物是迄今为止在实验室中获得的最好的培养物之一。”


除了进行鸡胚胎肠道组织培养外,霍格自己也开展了关于鸡胚胎心脏成纤维细胞对低渗和高渗溶液的反应的研究。在这之前,她的研究经验仅限于培养原核生物;在这之后,她获得了动物细胞培养的经验,这意味着她的研究方向也发生了重大变化。


时间来到1944年,霍格开始了对胎儿大脑细胞培养的研究。1945年至1953年,霍格全面开展了对人类脑组织培养的研究。她结合自己在路易斯夫妇的实验室中学到的悬滴法和“滚筒”技术,将外植体放在浸泡于盐水中的试管内表面,用球蛋白覆盖组织,然后使用血浆促进凝血,再向试管中加入营养液并将试管封闭,最终缓慢放置到水平位置,以证明外植体的细胞可以在隔离状态下长时间存活。与悬滴法相比,这种将试管转动起来的技术使许多细胞和组织得以充分沐浴在营养液和气体环境中,从而得到很好的培养结果。


霍格专注于描述细胞的类型以及它们在特定条件下从外植体中的生长情况。这些研究为以后研究人脑细胞外植体暴露于脊髓灰质炎病毒引起的细胞病变提供了理论基础。在研究胎儿中枢神经系统的八年中,霍格培养了来自不同大脑区域的外植体,包括额叶和枕叶皮质、中脑、脑基底部、小脑、海马、延髓、松果体、侧脑室壁和脊髓,其中重点培养了小脑组织,她也数次培养了尾状核、齿状核和蚓部,甚至培养了第三、第四脑室和侧脑室的脉络丛



1946年,霍格发表了第一篇相关论文,她记录道:“从月份较小的胎儿取得的培养物,相较从较大胎儿取出的培养物,显示出一些后者所没有的细胞类型。这些细胞的迁移方式类似于成纤维细胞,但体积更小,并含有相当大的颗粒。它们通常形成板状结构,也没有细长的突起……这样的细胞似乎是原始的;也许它们还没有分化成年长的胎儿或新生儿所特有的元素。不可否认,它们可能是神经母细胞或胶质母细胞。”


除了人类胎儿脑细胞的培养外,早在1946年,霍格就试图培养在尸检时取出的成年人脑细胞,但均以失败告终。她的失败很可能是由于尸检前脑组织的退化。因此,她开始追求培养人体活检材料。1950年到1953年,霍格在4~68岁的受试者中成功地培养了额叶、顶叶、颞叶和小脑的成人大脑外植体,培养时间长达221天。霍格发现,成人培养的脑细胞与胎儿培养的脑细胞在以下方面有诸多不同,例如细胞和突起在成人培养中出现较晚;与胎儿培养相比,成人培养的少突胶质细胞很少;原生质星形胶质细胞在成人培养中不同于胎儿培养中的星形胶质细胞;以及成人培养中的原生质星形胶质细胞不同于胎儿培养中的星形胶质细胞,等等。尽管受到时代和技术所限,霍格的研究在一些脑细胞的识别方面存在困难,但她仍然描述了巨噬细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞、星形胶质细胞和神经元的特点,并通过延时摄影来研究可移动和能够改变形状的可识别细胞,为中枢神经系统疾病的病理研究带来了启发



霍格的工作引起了国际上的关注,许多开始对大脑研究感兴趣的科学家也纷纷跟随了她的脚步。最早记录人类脊髓器官类型培养的美国神经学家斯坦利·M·克雷恩(Stanley M.Crain)曾评价霍格说:“关于霍格博士对中枢神经系统组织培养的研究,她在体外培养方面的开创性工作确实给我留下了深刻的印象。”霍格为组织和细胞培养开辟了新的实验方法,她创造的新技术帮助人们更进一步地了解病理结果,甚至帮助改进了临床治疗策略。


霍格一生活跃在美国解剖学家协会、美国动物学家协会、美国寄生虫学家协会、美国热带医学协会和组织培养协会等许多科学协会的活动中。1962年9月11日,霍格因病逝世,享年78岁。风流肯落他人后,气岸遥凌毫士前,霍格在人类脑组织培养中的成就,无疑为神经细胞研究历史添上了独一无二的色彩。


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