首個人猴嵌合胚胎在爭議中誕生

南方周末特約撰稿　湯波

人猴嵌合胚胎。

★一個國際小組首次在實驗室成功培育出“半人半猴”嵌合胚胎，盡管胚胎發(fā)育到二十天就被終止，但這項研究打開了人與非人類嵌合體的潘多拉盒子，開發(fā)人-非人嵌合體也許只是時間問題。

將人類干細(xì)胞放入猴子的胚胎會發(fā)生什么？　近日，中國、美國和西班牙的一個國際聯(lián)合研究小組進(jìn)行了這種嘗試，將人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞植入食蟹猴胚胎中，首次在實驗室成功培育出“半人半猴”嵌合胚胎，證明人類干細(xì)胞可在食蟹猴胚胎中分化。研究人員希望這項研究將來用于人類胚胎發(fā)育和異種器官移植等研究。2021年4月15日，該研究成果發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上，引發(fā)廣泛關(guān)注。

人豬嵌合胚胎在先

來自昆明理工大學(xué)、美國索爾克（Salk）生物研究所、美國得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心和西班牙加泰羅尼亞大學(xué)圣安東尼奧·穆爾西亞分校的研究人員，參與了此項研究。

美國索爾克生物研究所胡安·卡洛斯·伊斯皮蘇阿·貝爾蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmon-te）博士領(lǐng)導(dǎo)了此項國際合作研究。早在2017年，胡安·卡洛斯團(tuán)隊首次嘗試將大鼠誘導(dǎo)多能干細(xì)胞植入小鼠早期胚胎中，培育出大鼠與小鼠嵌合胚胎。在此之前，小鼠胚胎已通過基因編輯敲除了控制胰臟等器官發(fā)育的關(guān)鍵基因，如果沒有其他處理，這些小鼠胚胎相關(guān)器官一般不能正常發(fā)育，甚至很難存活。不過研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠胚胎植入大鼠干細(xì)胞之后，這種大鼠-小鼠嵌合胚胎不僅能在小鼠子宮中正常發(fā)育，小鼠原本不能發(fā)育的胰臟等器官竟然能正常發(fā)育。原來這些大鼠干細(xì)胞填補(bǔ)了小鼠胰臟細(xì)胞的“空位”，幫助小鼠發(fā)育出含有大鼠細(xì)胞的嵌合胰臟，其大小也與大鼠胰臟差不多。

更引發(fā)關(guān)注的是，胡安·卡洛斯團(tuán)隊將人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞植入了豬的早期胚胎，首次培育出人豬嵌合胚胎，這些嵌合胚胎植入代孕母豬子宮后又發(fā)育了3到4周時間。與普通胚胎相比，這些嵌合胚胎在母豬體內(nèi)的發(fā)育情況沒有顯著差異。不過，人類細(xì)胞在豬胚胎中的嵌合率非常之低，每個嵌合胚胎中能檢測到的人類細(xì)胞平均不到10個，每10萬個豬細(xì)胞中大約只有一個人類細(xì)胞。這種細(xì)胞比例很難用于后續(xù)的基礎(chǔ)研究，更談不上異種組織和器官開發(fā)了。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，人類細(xì)胞難以嵌入豬胚胎中的主要原因是兩個物種間的進(jìn)化距離較遠(yuǎn)，一般認(rèn)為物種間進(jìn)化距離越近，其嵌合胚胎越容易形成。人與嚙齒類動物以及人與有蹄類動物的進(jìn)化距離均超過了9000萬年，而人與猴子進(jìn)化距離大概在3000萬-4000萬年之間。值得一提的是，大鼠和小鼠的進(jìn)化距離只有2100萬年，之前大鼠和小鼠間的嵌合體已證明異種組織和器官移植的應(yīng)用潛能。因此，胡安·卡洛斯博士等人認(rèn)為采用靈長類動物胚胎可能更容易獲得物種間嵌合胚胎，從而開展后續(xù)研究。

人猴嵌合胚胎更有前途

不過，國際上開展靈長類動物分子生物學(xué)研究并不多，一方面成本較高，另一方面容易受到各種限制。因此，胡安·卡洛斯博士開始尋找合作者，正好發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上的人豬嵌合胚胎研究論文的第一作者吳軍博士來自中國。

昆明理工大學(xué)的季維智院士、譚韜教授和牛昱宇教授等人在靈長類動物胚胎體外培養(yǎng)、基因編輯和干細(xì)胞等領(lǐng)域取得了一系列國際領(lǐng)先的研究成果。不過，由于成本和動物福利等問題，人豬嵌合胚胎的體內(nèi)發(fā)育方式并不適合在猴子身上推廣。2019年11月，季維智院士、譚韜教授與胡安·卡洛斯團(tuán)隊合作，通過改進(jìn)人體外胚胎培養(yǎng)方案，開發(fā)出一種猴子胚胎體外培養(yǎng)系統(tǒng)，使得胚胎可在體外發(fā)育到20天，體外胚胎呈現(xiàn)出了與體內(nèi)發(fā)育胚胎高度一致的形態(tài)學(xué)與基因表達(dá)特征，包括靈長類動物胚胎早期發(fā)育的主要事件，為后續(xù)人猴嵌合胚胎研究奠定了重要基礎(chǔ)。該研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，牛昱宇教授為共同第一作者之一，吳軍為作者之一，而季維智院士、譚韜教授與胡安·卡洛斯博士則為共同通訊作者。

在剛剛發(fā)表的人猴胚胎研究論文中，這五位科學(xué)家并列為共同通訊作者。

在人猴嵌合胚胎研究中，研究人員采取了人豬嵌合胚胎類似的技術(shù)路線，不過進(jìn)行了一些重要改進(jìn)。除了采用2019年建立的猴子胚胎體外培養(yǎng)系統(tǒng)之外，研究人員還通過加入促進(jìn)干細(xì)胞分化的化合物組合，對人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞進(jìn)行了改進(jìn)，使其具有更高的嵌合能力。

研究人員首先通過人工授精等技術(shù)在體外培養(yǎng)食蟹猴胚胎至囊胚階段，然后通過顯微注射方法，將篩選獲得具有較高嵌合能力的人多能干細(xì)胞注入食蟹猴囊胚中，隨后在所有第七天的食蟹猴囊胚中，都能觀察到提前標(biāo)記過的人多能干細(xì)胞，證明該人多能干細(xì)胞系在食蟹猴胚胎中也具有較強(qiáng)的嵌合能力。

接下來，人猴嵌合囊胚開始附著于培養(yǎng)皿上進(jìn)一步發(fā)育，附著率與普通食蟹猴囊胚沒有顯著差異。隨著時間的推移，能觀察到人多能干細(xì)胞的人猴嵌合胚胎占比逐漸減少。在受精后第9天，約有一半胚胎含有人多能干細(xì)胞，到13天，人猴嵌合胚胎只占三分之一。注射人多能干細(xì)胞的猴子胚胎發(fā)育比率略低于非注射胚胎的發(fā)育比率，到受精后第15天，發(fā)育比率更是急劇下降。

有意思的是，從受精后第13天開始，人猴嵌合胚胎中人類細(xì)胞傾向于聚集在一起，并與猴胚胎的上胚層逐漸分離。人多能干細(xì)胞更傾向于分化成上胚層細(xì)胞和下胚層細(xì)胞，滋養(yǎng)層細(xì)胞則非常少。在上胚層中，人類細(xì)胞占比最高是到受精后第15天的7%，而下胚層到受精后第19天，人類細(xì)胞最高可占到的5%，而從受精后第11天開始，滋養(yǎng)層中基本檢測不到人類細(xì)胞，不過人類細(xì)胞在人猴嵌合胚胎的發(fā)育程度和比例要比人豬嵌合胚胎高得多。

基因表達(dá)分析表明，人猴嵌合胚胎中的猴干細(xì)胞基本按照原有路徑進(jìn)行分化，形成不同類型的特定細(xì)胞，而其中的人類細(xì)胞雖然也能分化成幾種主要種系細(xì)胞類型，不過這些細(xì)胞更傾向于“抱團(tuán)”，而且人類干細(xì)胞在嵌合胚胎中的發(fā)育進(jìn)程顯著慢于正常發(fā)育的人和食蟹猴胚胎。另外，人猴嵌合胚胎中的猴干細(xì)胞和人干細(xì)胞的基因表達(dá)也是相互影響的，如相對于人類胚胎，嵌合胚胎中人上胚層樣細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)圖譜更接近嵌合胚胎中的猴上胚層細(xì)胞，反之亦然。

仍然面臨倫理爭議

研究人員在實驗設(shè)計、實際操作等環(huán)節(jié)均充分考慮了倫理因素，比如遵照相關(guān)國家的規(guī)定、進(jìn)行廣泛的倫理咨詢和審查以及將嵌合胚胎限定在早期20天之內(nèi)。不過，由于人類和食蟹猴同屬于靈長類動物，進(jìn)化距離較近，因此人猴嵌合胚胎研究仍然在國際上面臨一定的倫理爭議。

胡安·卡洛斯教授對媒體表示，他的團(tuán)隊無意嘗試用這種“半人半猴”的嵌合胚胎來創(chuàng)造動物，不過仍然有人認(rèn)為，嵌合胚胎離嵌合體只有一步之遙。牛津大學(xué)惠康倫理與人文中心聯(lián)合主任朱利安·薩弗勒斯庫（Julian Savulescu）教授對媒體表示，盡管人猴嵌合胚胎發(fā)育到20天就終止了，但是這項研究打開了人與非人類嵌合體的潘多拉盒子，成功開發(fā)人-非人嵌合體也許只是時間問題。

人猴嵌合胚胎能不能進(jìn)一步發(fā)育成人猴嵌合體呢？　技術(shù)上應(yīng)該沒有問題。據(jù)2019年12月《蛋白與細(xì)胞》雜志的報道，中國科學(xué)院動物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點實驗室的研究人員將食蟹猴的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞移植到豬早期胚胎中，獲得猴豬嵌合胚胎。他們還將四千多枚嵌合胚胎移植到母豬子宮內(nèi)，最后產(chǎn)下10只豬崽?？茖W(xué)家通過綠色熒光蛋白進(jìn)行追蹤，其中有兩只是豬猴嵌合體，它們的大部分器官如心臟、肝臟等都含有獼猴的細(xì)胞，比例在千分之一到萬分之一之間，不過這些豬都在一周內(nèi)死亡。這是首次培育出猴豬嵌合體，證明嵌合胚胎有可能發(fā)育成嵌合體。

《細(xì)胞》雜志在同一期還刊發(fā)了斯坦福大學(xué)亨利·格里利（Henry Greely）教授和杜克大學(xué)妮塔·法拉哈尼（Nita Farahany）教授的評論文章。兩位生物倫理學(xué)家在文章中指出，不能排除有人培育人猴嵌合體的可能，呼吁研討如何設(shè)定科學(xué)家在這一領(lǐng)域的研究邊界。

《自然》雜志在報道這一新聞時指出，預(yù)計下個月，國際干細(xì)胞研究學(xué)會將出臺修訂后的干細(xì)胞研究指南，將明確禁止培育人-非人靈長類動物嵌合體，并監(jiān)督人與非人靈長類動物嵌合胚胎中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育方面的研究。從2015年開始，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）宣布暫停人與動物嵌合研究進(jìn)行聯(lián)邦經(jīng)費資助，目前正在等待國際干細(xì)胞研究學(xué)會相關(guān)指南出臺，以決定是否修改經(jīng)費禁令。

盡管面臨倫理爭議，不過研究人員認(rèn)為，人猴嵌合胚胎模型的效率要顯著優(yōu)于人鼠嵌合胚胎和人豬嵌合胚胎。在嚴(yán)格遵守倫理規(guī)范的基礎(chǔ)上，人猴嵌合胚胎有望在再生醫(yī)學(xué)、異種移植組織和器官等方面發(fā)揮積極作用。