Cell：幹細胞里程碑！科學家首次培育出人豬嵌合體胚胎

生物探索

編者按

近日，一個國際科研小組在《細胞》雜誌上發表成果稱，他們將人類幹細胞注入豬胚胎中，首次成功培育出人豬嵌合體胚胎，並在豬體內發育了3到4周時間。值得一提的是，基因編輯神器CRISPR也在這項重要成果中「立了一功」。

1月26日，發表在Cell雜誌上題為「Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells」的研究中，來自Salk研究所的科學家小組藉助「魔剪」CRISPR技術首次成功培育出了人-豬嵌合體胚胎。

論文發表後，包括Science、MIT Technology Review、The-scientist等網站紛紛報道了這一研究成果。該研究的通訊作者 Juan Carlos Izpisua Belmonte表示，這是幹細胞研究領域的一個里程碑。該研究的最終目標是在動物體內培育出可供移植的人類細胞、組織和器官。

成果

培育嵌合體胚胎分為兩個階段。首先，利用CRISPR技術刪除豬胚胎內形成器官的關鍵基因，創造遺傳「空位」；其次，把人類誘導多能幹細胞注入豬胚胎內。

具體來說，研究人員將人類誘導多能幹細胞（一種重編程的成人細胞，重新獲得了胚胎幹細胞的特徵）與豬的胚胎相結合，然後將這些嵌合體胚胎植入代孕母豬體內後，讓這些胚胎髮育僅3周或4周，以檢查是否人類細胞發揮了作用。

研究小組將超過2000個人豬嵌合體胚胎植入到41隻代孕母豬體內，一個月後，有186個胚胎存活。然而，許多胚胎遠小於正常胚胎，似乎長得更慢。

Jun Wu (front) and Juan Carlos Izpisua Belmonte

事實上，科學家們使用了3種不同狀態的誘導多能幹細胞。結果顯示，中間態多能幹細胞（intermediate hPSC）最適合形成嵌合體。在新華社的報道中，該研究的第一作者Jun Wu稱，不同狀態的誘導多能幹細胞在豬胚胎中形成「不等程度的嵌合」，但其總體比例較低。「我猜測每10萬個豬細胞中可能只有不到1個人類細胞。」他說。

The-scientist網站的報道也表示，即便是利用這些中間態的多能幹細胞，最終整合到豬胚胎中的人類細胞數量並不是非常高，且很多嵌合體胚胎並未充分發育。不過，研究人員確實看到了一些人類幹細胞轉化為了肌肉細胞，以及一些器官（包括胰腺和肝臟）的前體細胞。

技術

簡單來說，上述研究中涉及的技術是將來自一個物種的多能幹細胞與另一物種的早期胚胎相結合，目標是創建一個擁有來自兩個物種的細胞混合物（即一個嵌合體）的動物。科學家們正嘗試物種之間的交叉，以期開發出新的器官來源。

1月25日，發表在Nature雜誌上題為「Interspecies organogenesis generates autologous functional islets」的研究中，來自斯坦福大學的研究小組報道稱，他們在大鼠中長出了小鼠胰腺，並且將該胰腺移植到患病小鼠中後成功逆轉了糖尿病。

事實上，發表在Cell上的這一研究中，Belmonte的研究小組也證明了他們能夠「嵌合」大鼠和小鼠。為了給供體細胞提供更好的存活機會，Belmonte和Jun Wu利用基因編輯技術CRISPR「修改」小鼠的胚胎，從而使小鼠發育胰腺、心臟或眼睛所需的特定基因失活。缺乏這些基因的小鼠通常會死亡或者生出來是畸形的。但是，如果在這種情況下加入來自大鼠的胚胎細胞，它們將補充缺失的小鼠細胞和器官。科學家們希望相同的思路能夠用於培育人類器官：在豬或羊等動物體內，引導人類細胞發育成特定的器官，如腎臟。

Belmonte團隊嘗試過製造大鼠-豬嵌合體，但並未取得成功，因為這兩個物種太不同了。隨後，研究者們開始轉向將人類幹細胞與奶牛和豬的胚胎結合。因為這些物種之間有著相對相似的器官大小。雖然他們也成功創建了人-奶牛嵌合體胚胎，但他們最終選擇了豬進行後續的實驗。因為與牛相比，豬更易於使用，且更加便宜。

A 4-week-old pig embryo injected with human pluripotent stem cells

障礙

作者們稱，有多個原因可以解釋為什麼人-豬實驗不像小鼠-大鼠實驗那樣好實現。一方面，豬與人類的「關係」要比大鼠與小鼠之間更遠；另一方面，大鼠與小鼠之間具有更相似的妊娠期（只相差幾天），而豬與人的妊娠期相差5個多月。

Wu表示，還有一個可能的原因是「時機」問題。你可以想像，當人體細胞進入了充滿豬胚胎細胞的「高速公路」，它們的速度是人類細胞的3倍，那人類細胞必須調整「速度」，找准進入「高速公路」的時機，才不會造成任何「事故」。

1月26日，Science網站針對這一研究的報道稱，該研究中的人獸嵌合體生長得並不好，只有少量的人類細胞存活了下來。哈佛幹細胞研究所的Joe Zhou表示，這些障礙並不讓人意外。「儘管存在非常嚴重的技術挑戰，但我是非常樂觀的。我認為這一路徑是有前途的。」他說。

前景

每年，有數以萬計的人在等待器官移植的過程中失去生命。科學家們希望能夠通過在其它動物中培育人體器官，以克服移植器官短缺的問題。研究人員表示，現在離最終產生移植器官的目標還很遙遠。但他們也指出了嵌合體胚胎的其它潛在用途，如作為研究人類發育和疾病的平台，或者用於評估潛在的療法。

監管

MIT Technology Review網站曾在去年報道過類似的人獸嵌合體成果。因為倫理和安全問題，這類研究一直備受關注和爭議。因擔心會產生意想不到的結果，如形成擁有太人性化大腦的豬，美國NIH在2015年暫停了對這類工作的資助。不過，在舉行了一個關於科學和倫理問題的研討會後，該機構在2016年8月稱，它計劃在今年1月解除這一「禁令」。

事實上，解除「禁令」的新政策遭到了很多人的反對。NIH收到的大量來信抱怨這是在花納稅人的錢資助模糊人類與非人類動物界限的研究。據《科學》雜誌的報道稱，具體解除禁令的決定還未宣布，不知道新的特朗普政府是否會影響NIH在這一問題上的立場。

NIH的科學政策辦公室主任Carrie Wolinetz表示，他們還沒有最後確定新政策的具體發布時間。一些人預計，這一政策會遭到特朗普總統的反對。Wolinetz說：「我們還沒有與新一屆的政府就這一問題進行對話。」

對於這類研究存在的倫理問題，Belmonte表示認同。他說：「但我們在實驗室中也有方法能夠預防相關擔憂的發生。」 研究人員在人豬嵌合體胚胎髮育21天至28天時，中止了豬的懷孕，這相當於人類懷孕8周到10周，此時組織器官處於形成的極早期。

參考資料：

MIT Technology Review：Pig-Human Organ Farming Doesn』t Look Promising Yet

Science：Human organs grown in pigs? Not so fast

The-scientist：Scientists Create First Human-Pig Chimeric Embryos

新華社：科學家首次培育出人豬嵌合體胚胎

Salk研究所：New findings highlight promise of chimericorganisms for science and medicine

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