世界首例“猪猴嵌合体”诞生中国,大师兄和二师兄合体了 | 专家解读

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世界首例“猪猴嵌合体”诞生中国,大师兄和二师兄合体了 | 专家解读
麻省理工科技评论 2019-12-11

2019-12-11

世界上首例 “猪猴嵌合体” 产生了
生物 生物技术
世界上首例 “猪猴嵌合体” 产生了

全世界每年大概有 200 万人需要器官移植,但器官捐献的数量远低于需求,怎么办?科学家将目光投向了大师兄(猴子)和二师兄(猪)。

这里有两条路径,其一是异种器官移植,即把猪器官移植到人体内,目前正用猴子来试验其可行性;其二是本文主题,异种嵌合体,即将人的干细胞注射到猪胚胎中,在猪体内培养人的器官,目前正在用猴子或小鼠来检验其可能性。

图 | 首例 “猪猴嵌合体” 活产。(来源:《新科学家》)

如今,世界上首例 “猪猴嵌合体” 产生了。研究人员把猴子的胚胎干细胞注射到了猪的胚胎中,产生了 2 只“猪猴嵌合体”。这项研究于今年 11 月底发表在《蛋白质与细胞》(Protein & Cell)上。

论文有 3 位通讯作者,均来自中国科学院动物研究所干细胞与生殖生物学国家重点实验室,他们是从事人源化猪模型构建的海棠博士,干细胞与生殖生物学国家重点实验室副主任李伟研究员和中国科学院院士、动物所所长周琪。

4359 个囊胚,2 只活产

图 | “猪猴嵌合体”的产生过程。(来源:《蛋白质与细胞》)

图 | 嵌合体活产猪的心脏、肝脏、脾脏、肺、皮肤和子宫中绿色荧光蛋白的免疫荧光图像。(来源:《蛋白质与细胞》)

这 2 只小猪看起来与正常的猪并无异样,只是其体内一部分细胞来自食蟹猕猴。这是世界上首次猪猴嵌合体活产,但 1 周内均死亡。

研究人员在食蟹猴细胞中加入了荧光蛋白 GFP,这样就可以追踪细胞及其繁衍的后代。在得到可追踪的胚胎干细胞后,研究人员将之注射到了受精 5 天后的猪胚胎中。他们共注入了 4359 个囊胚,获得 3 个嵌合体胚胎。

不过其中 1 只嵌合体发生了流产。在生产的 10 只仔猪中,2 只经过特异性序列引物的 PCR 确认是猪 - 食蟹猴的嵌合体。

嵌合体器官的最大障碍是目标器官嵌合率太低。研究人员检测发现,在嵌合体仔猪的体内,包括心脏、肝脏、脾脏、肺和皮肤在内的多种组织内均有食蟹猴细胞,但其比例很低,在千分之一到万分之一之间。

研究人员怀疑仔猪的死亡与体外显微注射有关,而并非与嵌合体有关,因为非嵌合体的仔猪也都死掉了。

据《新科学家》,加州大学戴维斯分校的干细胞生物学家 Paul Knoepfler 评价说,鉴于所有动物的嵌合率很低,且都死亡,这个结果令人沮丧。

仔猪全部死亡是否与体外显微注射有关,尚不能确认。得克萨斯大学达拉斯西南医学中心助理教授吴军对 DeepTech 表示,该研究中仔猪活产数量太少,还不能下此结论。

研究人员在论文中表示,这个研究证实了食蟹猴 - 猪的嵌合体可以在猪体内生长出具有功能性的肝细胞和肾细胞,这些细胞可以用来进一步临床应用研究。

研究人员认为,异种嵌合体到临床还有两个障碍:其一,需要提高嵌合率;其二,需要了解异种进化差异的分子机制,这种进化差异影响了异种嵌合体的发育效率。

他们希望下一步能制造出完全由猴子细胞组成的器官。

最大障碍是嵌合率

图 | 一个携带大鼠心脏细胞(红色)的小鼠胚胎。(来源:索尔克生物研究所)

在解剖学、生理学以及器官发育和疾病作用机制方面,猪与人类有诸多相似性,所以是器官替代较理想的动物模型。

制备嵌合体大都用显微注射,也就是通过显微操作将目的干细胞注入猪的早期胚胎中。

2010 年,日本东京大学和美国斯坦福大学联合团队负责人、干细胞学家 Hiromitsu Nakauchi 制造出了含有大鼠胰脏的小鼠,这是一种改造后无法发育出自己胰脏的小鼠,他打算利用诱导多能干细胞(iPS 细胞)在小鼠体内培育人类胰脏。

2017 年,还在加州索尔克生物研究所做研究员的吴军制造了猪 - 人嵌合体。他们向猪胚胎注射了多种人类诱导性多能干细胞,首次用中间多能态的干细胞成功培育出人猪嵌合体胚胎。由于伦理原因,胚胎仅在猪体内发育了 3 到 4 周时间。最终的结果显示,不同组织和器官嵌合度有差异,比如心脏和肌肉嵌合度明显要高于其他组织,但从整个胚胎来讲,大约每 10 万个猪细胞中有 1 个人细胞。

据今年 7 月西班牙《国家报》(El País)报道,西班牙武康大学与索尔克生物研究所的研究人员正在中国进行人 - 猴嵌合体的研究,目前尚未有结果公布。

异种移植专家、南京医科大学特聘教授戴一凡此前对 DeepTech 表示,这几年反复的试验发现,异种嵌合体研究远远没有人们当初想象的那么容易,主要是人的干细胞和猪胚胎发育的不匹配,人的细胞和猪的细胞之间不能很好的互动,很难存活或发挥应有的功能。

至于伦理问题,美国、西班牙和一些其他国家允许制造人 - 动物嵌合体,只要其没有繁衍能力且不会发育成大脑即可。

然而据《新科学家》报道,新加坡生物医学研究所发育学家 Davor Solter 的看法是,这是一种可笑的担忧,人脑细胞在老鼠大脑中也只能做老鼠该做的事情,它不会具备人类的思想。因为大脑的结构决定了人类之所以为人,而非单个的细胞所决定。

吴军同意 Davor 的观点, 也表示这些担忧缺乏科学依据,人类细胞在老鼠和猪大脑中会怎样,需要研究来证实,哪怕是用大小鼠或其他灵长类细胞验证也可以佐证。

专访吴军:异种嵌合体器官移植路线图是怎样的?

图 | 吴军。(来源:得克萨斯大学达拉斯西南医学中心)

吴军,毕业于山东医科大学获得临床医学学士学位,后获得田纳西大学诺克斯维尔分校生命科学博士学位,之后在南加州大学做博士后,在索尔克研究所做研究员,他于 2018 年 1 月加入得克萨斯大学达拉斯西南医学中心,担任分子生物学助理教授。

他在异种嵌合体领域做了一些开创性的工作,海棠等人的这篇论文也多次引用了其成果,而且也证明了之前他关于中间多能状态干细胞有异种嵌合优势的发现。

DeepTech:如何看待这项研究的价值?

吴军:从十万分之一到万分之一、千分之一,最终的异种嵌合率比以前的研究有些提高,但是实际上还是比较低的,说明物种之间生成嵌合体的过程中还是有一定的障碍。

这篇文章没有做相关机理方面的研究,主要是技术方面的突破。他们通过将猪胚胎的培养液和中间多能状态干细胞的培养液混合到一起,让猴子干细胞在猪胚胎里面能够更适应,这可能对将来的嵌合体实验有所帮助。

DeepTech:从十万分之一到万分之一、千分之一,这是一个很大的进步吗?

吴军:不管是我们之前预估的十万分之一,还是万分之一、千分之一,都属于一个非常低的嵌合率。它还没有达到能够有效在体内产生功能性组织的水平。而且,异种嵌合很可能会面临组织偏差的问题,也就是说,因为物种间发育过程等的不同,即使整体胚胎嵌合度提高,可能有些组织会有很少的或者没有任何嵌合。

异种细胞发育快慢是不一致的,其发育程序也不同,另外就是细胞与细胞之间可能有互相竞争的关系。

大鼠跟小鼠的整体嵌合可以达到 20%-30%。通过互补,在某些器官嵌合可以达到 90% 以上。因为大鼠和小鼠是两个相近的物种,都属于啮齿类,发育程序比较类似,但人与猪或者是猴子与猪在进化关系上就很远,猴子细胞或者人的细胞可能在猪胚胎发育过程中不能接受到兼容的发育信号。

DeepTech:与传统细胞生物学领域相比,异种嵌合体的研究似乎不够热闹,有什么原因吗?

吴军:有几个原因。

其一,虽然有很多实验室会用到干细胞,但是真正通过异种嵌合做胚胎干细胞再生医学研究的不是特别多。

其二,嵌合体涉及到体内实验,比如显微注射,甚至用到不同的动物,这不是每个实验室都能够去做的。

其三,我觉得是这个领域还处于很早期阶段,还有很多的技术上跟伦理上的障碍。比如人的细胞会不会转移到猪脑系统或者生殖系统里面。将来如果嵌合率提高的话,就可能需要解决人的细胞避免进入伦理敏感的器官中,尤其是生殖系统和神经系统。另外我想强调的一件事是,即使是大小鼠之间的互补,现在成功的器官也只有胰腺。其他器官,比如肾脏,虽然最近有报道小鼠干细胞来源的肾脏可以在大鼠新生儿体内生成,但器官大小比同期的大鼠肾脏要小,而且其功能并没有被完全测试。这些都说明该领域还处于探索阶段,离临床应用还很遥远。

DeepTech:可否简单描述一下,嵌合体研究到最终能够实现器官移植应该是一个怎样的路线图?

吴军:首先要解决整体胚胎嵌合率低下的技术问题,怎么让跨物种的胚胎干细胞更有效地进入到另外一个物种的早期发育胚胎,而且能够参与到各种器官的早期发育中。

如果这个问题解决了,下一步就是怎么控制,特别是让人的胚胎干细胞避免进入我们不想让它进入的器官,这是一个伦理的问题。

第 3 点就是,异种嵌合体器官的功能性是不是与人的器官相似,这可能需要去做一些移植实验。当然这个阶段早期可能是用猴子来测试。

第 4 点是制造一个完整的器官。现在我们制造的不是一个完整的器官,比如其中有些血管、神经和间质细胞主要还是宿主的。

DeepTech:感觉你描述的每一步都是挑战性很大,能不能估计一下,10 年之内有可能实现到哪一步?

吴军:我觉得现在没办法去预估,有可能明年就有一个非常激动人心的进展,也有可能一直都会有一些困难,10 年、20 年不一定能够达到预期。

因为这是一个非常新的领域,很多实验室都处在摸索的阶段,没有之前的研究可借鉴。但是我比较乐观,5 年到 10 年应该会有一个概念验证,比如说异种生产人的功能性细胞,如胰岛细胞。

DeepTech:能不能预测一下,对于心脏、肝、肺、胰岛这些器官,你觉得哪种器官可能会有更快进展?

吴军:我觉得是胰岛。因为做的最多的嵌合体工作就是胰岛,包括日本做了大鼠、小鼠的胰岛的生成,之前我在索尔克研究所也做了小鼠胰岛研究。另外,胰岛的发育在各个物种中比较保守,有一些保守的基因在调控,那么就更容易控制。

另外肌肉也可能进展很快。肌肉主要组成是肌肉细胞,一些关键基因的研究也比较清楚,并且我们人猪嵌合实验的初步实验结果也发现,肌肉组织嵌合度相对其他组织比较多。

DeepTech:有器官移植的专家说,与嵌合体器官相比,异种器官移植可能会更快上临床。

吴军:我同意这个说法。异种器官移植早在 1990 年代就开始了,研究基础很好,特别是现在有了基因编辑,就更加简单和方便,所以异种器官移植可能在最近几年就会有临床实验。

DeepTech:那么除了器官移植,异种嵌合体研究在生物学和临床上还有什么价值?

吴军:这也是我自己的实验室专攻这个方向的一个原因。因为嵌合体研究不仅是为了器官移植,异种嵌合可以给基础研究带来一些新的认识。比如说大鼠与小鼠是两个完全独立的物种,它们在千万年前就已经分开了,但是如果可以把大鼠的干细胞放到小鼠体内,让它去经历小鼠发育的整个过程,这个系统就非常有意思。

我们可以研究一些进化的保守的或者不保守的发育程序,比如说器官大小的控制,寿命的控制。有的啮齿类物种可以生活 30 年,而同为啮齿类的小鼠只有 2 年到 3 年寿命,那么如果能够产生嵌合体,就可以用来研究长寿问题。

甚至包括癌症,有一些物种几乎不会患癌症,那么研究有其细胞的嵌合体是不是会发现一些新的抗癌机理呢?

DeepTech:能不能介绍一下你们现在做的工作?

吴军:我们现在主要想解决嵌合率的问题。主要是通过建立一些体外的系统来研究早期发育机理,包括细胞与细胞之间的相互作用、细胞粘附、细胞通讯以及发育时程、细胞周期。另外是细胞分化的速度,人类细胞比小鼠、大鼠和猪的细胞要慢很多,我们在体外可以重现体内发育的过程,希望可以让人的细胞分化加快或者让动物细胞分化放缓。

另外我们比较感兴趣的是,在早期发育过程中,人类细胞和其他物种细胞之间的通讯。

机理研究在体内比较难做,因为体内实验周期比较长,影响因素也较多,所以希望建立起一种体外的研究系统,这也是我们主攻的一个方向。

DeepTech:我看到今年 7 月份有报道说索尔克研究所与西班牙武康大学合作,在中国进行猴子嵌合体的研究。他们为什么选择中国呢?

吴军:不是因为在中国可以做,其他国家不能做。我觉得他们之所以在中国做,可能是因为中国近些年在灵长类研究领域有突飞猛进的进展,研究中心比较多,猴子种类比较多,数量也比较多。要知道,第一个克隆猴是在中国出生的,第一批具有针对性突变的猴子也是在中国出生的。

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