人類器官培育緩步前行

編譯 張茜

一個美國科研團隊在一份預印本中報告說，他們已經在猴子的胚胎中培育出了黑猩猩的干細胞。

成功的嚙齒類動物嵌合體實驗——正如這只小鼠胚胎中含有大鼠心臟細胞——很難在人類細胞中成功復制

由于人類移植器官的長期短缺，研究人員將目光轉向了農場動物。幾家生物技術公司正在對豬進行基因工程改造，以提高它們的器官與人體的相容性。也有一些科學家正在尋求一種不同的解決方案：在豬、羊或其他動物身上培育完全的人體器官，然后可以收獲這些器官用于移植。

這個想法在生物學上令人生畏，在倫理上也讓人擔憂。但一些研究小組正在攻克一個關鍵性障礙：讓一個物種的干細胞在另一個物種的胚胎中茁壯成長。最近，一個美國科研團隊在一份預印本中報告說，他們已經在猴子的胚胎中培育出了黑猩猩的干細胞。日本最新放寬的法規鼓勵研究人員尋求批準進行實驗，以提高嚙齒動物和豬胚胎中人類細胞的存活率。俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學的生物倫理學家玄尹洙（Insoo Hyun）表示，這項工作正在平穩地進行中。在新的黑猩猩-猴子嵌合體等方面做出的努力代表著“緩步前行，一邊走一邊收集數據，”他表示，“我認為這是一種明智的做法。”

最終，研究人員設想將一個人的細胞重新編程，使其處于原始發育狀態，可以形成大多數組織，并將這些誘導多能干細胞（IPS）注射入另一個物種的胚胎。胚胎將被植入代孕母親的子宮內，并允許其發育成正常大小，作為器官供體。IPS細胞可以來自等待移植的人，或者，用一種潛在的更省時省力的方法——人類器官可以提前從其他捐贈者的細胞中生長出來，與關鍵的免疫信號蛋白相匹配，以防止排異反應。

到目前為止，這一壯舉只在嚙齒類動物身上進行了模擬。2010年，東京大學干細胞生物學家中內啟光和他的團隊報告說，他們正在無法自身生長出胰腺的大鼠體內培育大鼠胰腺。在2017年，中內和他的同事們通過移植生長于大鼠體內的能夠產生胰島素的小鼠胰腺組織來治療患有糖尿病的大鼠。

但是嚙齒類動物身上試驗的成功并沒有在體型較大和進化關系較遠的動物中體現出來。2017年，加州圣地亞哥索爾克生物研究所的細胞生物學家吳軍（Jun Wu）及其同事報告稱，當他們將人類IPS細胞注入豬胚胎，并將胚胎植入母豬體內時，大約有一半的胚胎發育不良，生長緩慢。那些發育到正常大小的胚胎在妊娠一個月后也僅存很少的人類細胞。

目前就職于達拉斯德克薩斯大學西南醫學中心的吳軍教授已經在培養皿中探索了人類干細胞與非人靈長類動物、大鼠、小鼠、綿羊和奶牛的干細胞是如何相互作用的。他發現了一個他認為非常令人興奮的現象：不同物種細胞之間存在競爭。在與進化關系較遠的動物細胞的競爭中，人類細胞往往會相繼死亡，研究小組目前正試圖了解其機理。“我想我們已經快弄明白了。”吳軍說。

但競爭并不是唯一的問題。靈長類IPS細胞也比早期成功的嵌合體實驗中使用的“原始”嚙齒類動物干細胞在發育上更成熟，或者說“更充分”一些。因此，它們在嵌合胚胎中存活的可能性更小。中內說，他在加州帕洛阿爾托的斯坦福大學也有一個實驗室。為了幫助靈長類IPS細胞生長，他在斯坦福大學的團隊和合作者給它們賦予了一種可以阻止細胞死亡的基因。在近期報道的實驗中，他們測試了在一種親緣關系很近的靈長類動物的胚胎中，這種經過修飾的細胞其存活狀況如何。

為了避免引起倫理上的擔憂，研究小組決定不使用人類的IPS細胞。如果允許加入了人類細胞的非人類靈長類胚胎在代孕母親體內發育，并且人類細胞存活且能增殖，結果將會獲得一個前所未有的靈長類嵌合體。“人們擔心人類和動物之間的界限可能變得模糊。”日本京都大學的生命倫理學家藤田文雄說道。他最近在日本公眾中進行了一項關于對動物-人類嵌合體態度的調查。受訪者尤其擔心這些動物可能具有更高的智力或者攜帶人類的精子和卵子。

中內的研究小組改造了與人類具有最近親緣關系的黑猩猩的IPS細胞，并將它們植入恒河猴的胚胎中。他們發現，與未經修飾的黑猩猩IPS細胞相比，帶有促進生存基因的細胞在植入5天大的猴子胚胎后的2天內更容易存活。很難讓一個猴子胚胎在培養皿中存活超過一周，中內說道，但他的團隊計劃在“不久的將來”將嵌合體胚胎植入雌性恒河猴的子宮，從而進一步培育嵌合體。

中內還向日本的一個政府委員會提交了一份提案，要求將促進生存的基因植入人類干細胞，并將它們注射入小鼠、大鼠和豬的胚胎——而不是非人靈長類動物的胚胎——這些胚胎缺乏對胰腺發育至關重要的基因。研究人員希望，就像在早期的嚙齒動物實驗中一樣，人類細胞將會開始形成缺失的胰腺。他的團隊將會把胚胎植入代孕動物體內，但在足月前將它們取出進行研究。這些提議是對日本新法律準則的初步檢驗。2019年3月，日本徹底解除了一項禁止培育超過14天的人獸嵌合體胚胎或將其植入子宮的禁令。

其他研究小組正在研究適合嵌合體干細胞的不同方案。2019年1月，一個來自耶魯大學和位于康涅狄格州哈姆登的Axion研究基金會的團隊，描述了用一種化學物質培養猴的IPS細胞的過程。這種化學物質引發的基因表達模式就像在小鼠胚胎干細胞中一樣，這些細胞更有可能在嵌合體中存活。2019年4月，耶魯大學干細胞生物學家亞歷杭德羅·德洛杉磯（Alejandro De Los Angeles）報道稱，這項技術促使人類IPS細胞的基因表達模式發生了類似的變化。他現在正在考慮測試這些細胞在小鼠或其他非人類胚胎中是如何存活的。

這些工作在美國面臨障礙。雖然目前還沒有明確的禁令，但在2015年，美國國立衛生研究院（NIH）凍結了對涉及將人類多能干細胞——無論是IPS細胞還是來自于人類胚胎的細胞——植入非人類脊椎動物早期胚胎的研究申請的審查。自從一些研究者抗議后，該機構于2016年提出在全面解除禁令的同時，繼續對特定的嵌合體實驗實施資金禁令，包括將人類干細胞植入非人靈長類動物早期胚胎和繁育可能攜帶有人類卵子或精子細胞的嵌合體動物。NIH發言人表示，該提議“仍在考慮之中”。

加州大學戴維斯分校從事嵌合體研究的生殖生物學家帕布羅·羅斯（Pablo Ross）說：“這項禁令對這一領域的進展產生了非常大的沖擊。衍生出的一些擔憂的確應該認真對待，但我認為我們有工具能做到這一點，而這些擔憂不應阻止我們追求這一目標。”

由于嵌合體研究進展緩慢，甚至一些支持者預測異種移植——使用非人類組織，如經過修飾的豬器官來進行移植——將會阻礙它們進入臨床。“異種移植現在已經來到了黃金時代，”吳說，“我們落后了。”但是，能夠創造出更適合人類受體的器官的可能性這一信念，讓他和其他人的實驗室一直致力于干細胞和胚胎的研究，希望能縮小物種分化。