Cell 報道全球首批人獸嵌合體——醫學希望還是倫理之災？

西班牙 Agropor Facility 的豬被用於製造人豬嵌合體，然而還未有嵌合體發育至胚胎期之後。圖片來源：Cell

2017年1月26日，美國索爾克生物研究所（Salk Institute of Biological Studies）科學家在《細胞》（Cell）發表論文稱，在僅有幾天大的豬胚胎中注入人類幹細胞後，豬胚胎開始發育出含有人類細胞的器官。這一進展使人類向實現半獸人的培育又靠近了一步，這既給人以希望，也引起了巨大爭議。

這些人豬「嵌合體」在胚胎期就被銷毀了，但是該實驗說明這項技術最終可用於培育供移植的人體器官，從而彌補移植器官供體的短缺。

撰文 Sharon Begley

翻譯 陸靜怡

審校 張士超

在美國，有約120000人在等待著器官移植來拯救他們的生命，然而平均每天都有二十多人在等待的過程中亡故。中國的數字同樣不容樂觀，中國人體器官分配與共享計算機系統 （COTRS） 科研部主任、數據總監江文詩稱，截至2015年12月31日，COTRS 系統上肝臟移植有兩千多人在排隊，等待腎臟移植的更是高達兩萬餘人。世界上大多數國家禁止人體器官買賣，但器官供應的巨大缺口催生了大量的器官買賣犯罪行為。

除用作器官移植供體外，人豬嵌合體還能用來做產前發育的研究以及藥物實驗。相比其他實驗動物，豬體內的人肺也許能更精確地反映治療囊性纖維化等疾病的潛在藥物有怎樣的效果。

未參加此嵌合體實驗的科學家在《細胞》雜誌上發文稱，該實驗解答了一個存在已久問題：「如果在一個大型動物（而不是小鼠或大鼠）的早期胚胎中植入人類幹細胞會發生什麼？」「現在我們得到了第一個回答：你會得到一部分人類細胞，儘管數量不算多。這是一個偉大的成就。」斯坦福大學研究先天性心臟病學的 Sean Wu 博士如是說。

早在十餘年前，人類就在幹細胞生物學鄰域取得一定進步，培育嵌合變得更加容易，但自那時起生物倫理學家就對此做出了警告。在一些批評家看來，「中間態」的生命「玷污了人類的尊嚴，模糊了人與獸的界限，尤其是對一個相信神創論的人來說，這更令人難以接受。」斯坦福大學的生物倫理學者 Hank Greely 說道。

許多生物倫理學家的關注點在於，一旦動物有了足夠的人腦細胞，能像人一樣感知與思考，會發生什麼？ 變成頂著猴、豬、鼠或大鼠皮囊的人？諸如此類的擔憂迫使美國國立衛生研究院（National Institutes of Health）於2015年宣布他們不會資助任何涉及將多能幹細胞（具有分化成多種組織或器官潛能）植入早期胚胎或其他動物的實驗。（當時國立衛生研究院並沒有資助此類研究。）因此人豬嵌合體實驗的大部分資金都來源於基金會。

去年八月，美國國立衛生研究院提議解除禁令，換而對嵌合體實驗採取特別監督並阻止用人體細胞培育嵌合體。該提議並沒有在特朗普政府上台前落實，而特朗普上台的一周，所有的聯邦機構都無法簽署任何主題的最終行動綱領或規章制度，因此2015年的禁令依然有效。不過這對那些私人或是州政府贊助的實驗並沒有影響。然而，上一屆國會提出的一項條令也許會阻礙嵌合體的研究，該條令包括高達一百萬美金的罰款和十年監禁。

誰都摸不準新政府對嵌合體的態度。一位白宮發言人曾受到提問，但他並沒有立即給出答覆。

決策者貌似還可以考慮很長的時間。因為人豬嵌合體的嘗試中，失敗的次數遠大於成功次數。即使是成功的嵌合體也只帶有少量人體細胞。索爾克生物研究所（Salk Institute of Biological Studies）的生物學家、《細胞》雜誌上嵌合體論文的第一作者吳軍在一次採訪中說道：「人體細胞的總佔比是非常低的，我們估計一萬個豬細胞中只有不到一個人類細胞，並且嵌合體的腦組織中也沒有人類細胞。」

但這個實驗取得的進展更像是地板，而不是天花板。在同一篇論文中，索爾克研究所 Juan Carlos Izpisua Belmonte 實驗室的科學家們還報道了他們所做的大鼠-小鼠嵌合體——在小鼠胚胎中注入大鼠的多能幹細胞培育出了大鼠-小鼠嵌合體。到第二年的時候，小鼠的腎、肺、胰、肝和腦中都有一些大鼠細胞，心臟含有的大鼠細胞佔比最多，有百分之十。

在運用 CRISPR 基因改造過的小鼠胚胎中，由大鼠幹細胞分化而來的細胞的數量隨著心臟發育而增多。圖片來源：Cell

他們所取得的成就大概要歸功於 CRISPR 技術——強大的新基因編輯技術。吳軍說：「要在宿主中增加供體細胞的數量，必須使宿主胚胎控制特定器官發育的基因程序失效。」因此，他和他的團隊使用 CRISPR 技術在小鼠受精卵中敲除一個或以上發育心臟等特定器官的關鍵基因。然後，大鼠的幹細胞被注入，而本應該分化成心臟細胞的小鼠細胞卻因競爭力弱而被取代，大鼠幹細胞得以分化成包括心臟、眼睛和胰腺在內的特定器官。

索爾克的團隊並沒有把 CRISPR 技術運用到人豬嵌合體中來使豬發育出類似人的器官，但是吳軍稱此類實驗已在籌備中。

同樣是將多能幹細胞注入早期胚胎，其他一些組合卻並不適用：科學家無法製造出大鼠-豬嵌合體，還有，儘管他們培育出了人牛嵌合胚胎，但他們並沒有把胚胎移植到奶牛體內使其發育成胎兒。

此外，不難看出培育人豬嵌合體比科學家預想的要難很多，預計一年就能完成的實驗實花了四年時間。首先，他們把成熟細胞還原為「誘導多能幹細胞」，然後給1506個豬囊胚各注入3到10個人類多能幹細胞。

等胚胎在培養皿中培育一段時間後，科學家將它們植入41頭代孕母豬體內，每頭植入30到50個胚胎。出於倫理因素的考量，他們並沒有讓這些胚胎完全發育，經過21到28天後，科學家採集到了186個存活者的胚胎，而豬的懷孕期實則有114天。

索爾克生物研究所嘗試的多物種嵌合實驗。圖片來源：Cell

這樣的成功率有點偏低。然而在1996年製造出多利羊的克隆技術發展歷程同樣坎坷，而現如今，牛、羊、豬以及一些寵物都可以模式化克隆。如果幹細胞和 CRISPR 的結合技術也能像克隆技術一樣慢慢成熟，也許不久之後，豬不僅能長出可供移植的人類心、肺、肝和腎，還能比目前的實驗動物更真實地模擬人類的疾病從而進行藥物實驗。

當然了，要想達到這一步，嵌合體必須完全發育、出生並長大。而那些人豬嵌合體中，人類細胞最多的胚胎髮育程度最低，而人類細胞最少的胚胎似乎能更正常地發育。吳軍說：「許多人都不看好兩個進化歷程相去甚遠的物種能培育出足月的嵌合體。」

豬和人在九千六百萬年前有著共同的祖先。而那些更相近物種的嵌合體試驗取得了更大的進展。

2017年1月25日，科學家在《自然》雜誌上發文（DOI: 10.1038/nature21070）稱，他們通過向大鼠受精卵注射小鼠多能幹細胞的方式，培育出了小鼠-大鼠嵌合體，這些嵌合體發育出了與小鼠非常類似的胰腺。當把這些細胞植入患有糖尿病的小鼠體內後，它們分泌出了大量胰島素，治癒了小鼠的糖尿病。

任何由嵌合體發育而成的「人體」器官，若想用於移植或是研究，都必須做到高度模擬。科學家還不能確定僅僅靠 CRISPR 進行基因敲除是否能達到要求。然而，用嵌合體來培育人體器官起碼比在培養皿里把幹細胞培植成三維且能發揮功能的組織器官容易，畢竟前者器官的發育過程是可以進行跟蹤研究的。

加利福尼亞大學的幹細胞生物學家 Paul Knoepfler 說：「含有人類細胞的嵌合體為人類的發展打開了一扇獨特的窗戶。」

對於嵌合體，吳軍補充道：「這項技術還給了我們一個契機，可以觀察人類細胞如何生長，器官如何形成，以及基因突變如何導致嚴重畸形乃至流產。」

包括他在內的科學家都想知道，如果可以的話，嵌合體何時能夠成為移植器官供體來源。然而 Knoepfler 卻說：「人類細胞很難在嵌合體中有完全正常的表現。」宿主的細胞在獲得供血、連接結締組織等方面更有優勢。他還說：「這一問題會在將來的某一天阻礙人類細胞發揮正常功能，甚至使其完全喪失功能。」

那麼如果這些器官能夠正常工作呢？Knoepfler 說若是嵌合體中的人類細胞足以發展成可供移植的器官，那麼嵌合體腦組織中的人類細胞也很可能會「超量」。 Knoepfler 質問道：「倒底嵌合體腦組織中有多少人類細胞才算『超量』？而整個嵌合體中有多少人類細胞算『太多』？沒人知道。」

斯坦福大學的 Greely 預測，與此有關的倫理爭論將會終止。他說：「在美國，想要對付生物倫理學家，最好的王牌就是特朗普。你只要從這個角度出發（比如說嵌合體可以為瀕死的患者提供移植器官），那麼在政治上，你已立於不敗之地。」

圖片來源：Forbes

論文信息：

【題目】Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells

【作者】Jun Wu, Aida Platero-Luengo, Masahiro Sakurai, Atsushi Sugawara, Maria Antonia Gil, Takayoshi Yamauchi, Keiichiro Suzuki, Yanina Soledad Bogliotti, Cristina Cuello, Mariana Morales Valencia, Daiji Okumura7, Jingping Luo, Marcela Vilari?o, Inmaculada Parrilla, Delia Alba Soto, Cristina A. Martinez, Tomoaki Hishida, Sonia Sánchez-Bautista, M. Llanos Martinez-Martinez, Huili Wang, Alicia Nohalez, Emi Aizawa, Paloma Martinez-Redondo, Alejandro Ocampo, Pradeep Reddy, Jordi Roca, Elizabeth A. Maga, Concepcion Rodriguez Esteban, W. Travis Berggren, Estrella Nu?ez Delicado, Jeronimo Lajara, Isabel Guillen, Pedro Guillen, Josep M. Campistol, Emilio A. Martinez, Pablo Juan Ross, Juan Carlos Izpisua Belmonte

【期刊】Cell

【日期】26 January 2017

【DOI】10.1016/j.cell.2016.12.036

【摘要】Interspecies blastocyst complementation enables organ-specific enrichment of xenogenic pluripotent stem cell (PSC) derivatives. Here, we establish a versatile blastocyst complementation platform based on CRISPR-Cas9-mediated zygote genome editing and show enrichment of rat PSC-derivatives in several tissues of gene-edited organogenesis-disabled mice. Besides gaining insights into species evolution, embryogenesis, and human disease, interspecies blastocyst complementation might allow human organ generation in animals whose organ size, anatomy, and physiology are closer to humans. To date, however, whether human PSCs (hPSCs) can contribute to chimera formation in non-rodent species remains unknown. We systematically evaluate the chimeric competency of several types of hPSCs using a more diversified clade of mammals, the ungulates. We find that na?ve hPSCs robustly engraft in both pig and cattle pre-implantation blastocysts but show limited contribution to post-implantation pig embryos. Instead, an intermediate hPSC type exhibits higher degree of chimerism and is able to generate differentiated progenies in post-implantation pig embryos.