·“我們的發(fā)現(xiàn)證明了在器官功能發(fā)生障礙的豬中培養(yǎng)人源化原始器官的可能性，為再生醫(yī)學(xué)開辟了一條令人興奮的途徑，也為研究人類腎臟發(fā)育打開了一扇人工窗口。”

·“長期目標(biāo)是優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)以便用于人體器官移植，但這項(xiàng)工作將是復(fù)雜的，可能需要多年時間。由于器官由多種類型的細(xì)胞和組織組成，在豬身上培養(yǎng)一個功能齊全的人源器官還需要一些額外的步驟。”

異源器官移植是替代受損或衰竭器官的有效方法，但因器官嚴(yán)重短缺而受到限制。一個突破性的解決方案是，通過胚胎互補(bǔ)在其他大型哺乳動物身上產(chǎn)生人體器官，但它面臨著許多挑戰(zhàn)，尤其是人類細(xì)胞與受體組織的整合較差。

過去的研究已表明，通過胚胎與多能干細(xì)胞（PSCs）互補(bǔ)，產(chǎn)生種間嵌合體是一個有潛力的解決方案。科學(xué)家已經(jīng)成功地在小鼠和大鼠之間生成了胰腺、胸腺和腎臟等器官。豬在生理學(xué)、器官大小以及胚胎發(fā)育方面與人類相似，因而是生成人類器官的良好“孵化器”。然而，由于人多能干細(xì)胞衍生細(xì)胞對豬組織的整體貢獻(xiàn)較差，迄今為止尚未產(chǎn)生實(shí)體器官。

中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院的研究人員成功制造出包含人細(xì)胞和豬細(xì)胞的嵌合胚胎。移植到代孕母豬體內(nèi)28天后，發(fā)育中的人源腎臟結(jié)構(gòu)和腎小管形成正常。這是科學(xué)家們第一次能夠在另一個物種體內(nèi)培養(yǎng)出一個實(shí)體人源器官。9月7日，相關(guān)論文刊登于細(xì)胞出版社（Cell Press）旗下期刊《細(xì)胞-干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）上。

“我們的發(fā)現(xiàn)證明了在器官功能發(fā)生障礙的豬中培養(yǎng)人源化原始器官的可能性，為再生醫(yī)學(xué)開辟了一條令人興奮的途徑，也為研究人類腎臟發(fā)育打開了一扇人工窗口。”研究人員在論文中寫道。

研究人員之所以選擇腎臟作為移植器官，是因?yàn)槟I臟是最早發(fā)育的器官之一，也是人類醫(yī)學(xué)中最常見的移植器官。

將人類干細(xì)胞整合到豬胚胎中一直是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)樨i細(xì)胞比人細(xì)胞更具競爭力，而且豬細(xì)胞和人細(xì)胞有不同的生理需求。論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院研究員賴良學(xué)說：“我們的方法改善了人細(xì)胞與受體組織的整合，使豬身上可以培養(yǎng)人類器官。”

胚胎內(nèi)的人源化腎細(xì)胞（紅色熒光）與野生型豬胚胎對比。圖片來源：論文

該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)包括3個關(guān)鍵組成部分：

首先，研究人員利用CRISPR基因編輯技術(shù)對單細(xì)胞豬胚胎進(jìn)行改造，使其缺失腎臟發(fā)育所需的兩個基因，從而在豬胚胎中創(chuàng)造了一個空位，使人細(xì)胞不必與豬細(xì)胞競爭。

其次，研究人員改造了人類多能干細(xì)胞（一種有潛力發(fā)展成任何細(xì)胞類型的細(xì)胞），通過暫時關(guān)閉細(xì)胞凋亡（指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細(xì)胞自主的有序的死亡），使它們更容易整合，更不容易自我毀滅。然后，他們將這些細(xì)胞培養(yǎng)在一種特殊的培養(yǎng)基中，轉(zhuǎn)化為類似于早期人類胚胎細(xì)胞的“天然”細(xì)胞。

第三，在將發(fā)育中的胚胎植入代孕母豬之前，研究人員在能為人細(xì)胞和豬細(xì)胞提供獨(dú)特營養(yǎng)和信號的最優(yōu)條件下培養(yǎng)了嵌合體，因?yàn)槿思?xì)胞和豬細(xì)胞通常有不同的需求。

研究人員共將1820個胚胎移植給了13頭母豬。在25天或28天后，他們終止妊娠并提取胚胎，以評估嵌合體是否成功地產(chǎn)生了人源腎臟。

研究人員收集了5個嵌合胚胎（植入后25天的2個和植入后28天的3個）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)它們具有發(fā)育階段結(jié)構(gòu)正常的腎臟，并且由50%-60%的人類細(xì)胞組成。25-28天，腎臟進(jìn)入中腎期（腎臟發(fā)育的第二階段），形成了小管和細(xì)胞芽，這些最終將發(fā)育成連接腎臟和膀胱的輸尿管。

該團(tuán)隊(duì)還研究了人類細(xì)胞是否在整個胚胎中對其他組織有影響，特別是豬仔的神經(jīng)或生殖系組織中是否會發(fā)現(xiàn)大量的人類細(xì)胞，這可能具有倫理啟示。他們發(fā)現(xiàn)，人細(xì)胞絕大部分位于腎臟，而胚胎的其余部分則由豬細(xì)胞組成。

“我們發(fā)現(xiàn)，如果在豬胚胎中創(chuàng)造一個空位，那么人細(xì)胞就會自然地進(jìn)入這些空間。”論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院研究員戴禎說，“我們在大腦和脊髓中只發(fā)現(xiàn)了很少的人類神經(jīng)細(xì)胞，在生殖嵴（胚胎發(fā)育至4-5周時，在體腔背面腸系膜的基底部兩側(cè)，左右兩側(cè)各出現(xiàn)兩個由體腔上皮增生所形成的隆起，統(tǒng)稱為泌尿生殖嵴）中沒有發(fā)現(xiàn)人細(xì)胞，這表明人類多能干細(xì)胞沒有分化成生殖細(xì)胞。”研究人員說，通過敲除人類多能干細(xì)胞中的更多基因，可以進(jìn)一步防止這種情況的發(fā)生，這可以在未來的研究中進(jìn)行測試。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)優(yōu)化了在人豬嵌合體中生長人源腎臟的條件，并希望能讓腎臟發(fā)育更長的時間。他們還計(jì)劃在豬身上培育其他人體器官，包括心臟和胰腺。

研究人員表示，長期目標(biāo)是優(yōu)化這項(xiàng)技術(shù)以便用于人體器官移植，但這項(xiàng)工作將是復(fù)雜的，可能需要多年時間。由于器官由多種類型的細(xì)胞和組織組成，在豬身上培養(yǎng)一個功能齊全的人源器官還需要一些額外的步驟。

進(jìn)一步提高移植豬器官的存活率并不簡單。在這項(xiàng)研究中，研究人員僅為一種細(xì)胞亞群創(chuàng)造了一個空位，這意味著腎臟中含有豬血管細(xì)胞，如果用于移植，可能會導(dǎo)致免疫排斥反應(yīng)。此外，生理學(xué)上的顯著種間差異仍可能導(dǎo)致功能障礙。

該論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院研究員Miguel a . Esteban說：“因?yàn)槠鞴俨粌H僅是由一個細(xì)胞譜系組成的，為了讓一個器官的一切都來自人類，我們可能需要用更復(fù)雜的方式來‘改造’豬，這也帶來了一些額外的挑戰(zhàn)。”

該技術(shù)還可用于研究人體器官的發(fā)育和發(fā)育性疾病。“在能制造可供臨床使用的器官之前，這種方法為研究人類發(fā)育提供了一個窗口。”Esteban說，“你可以追蹤注入的人類細(xì)胞并操縱它們，進(jìn)而研究疾病和細(xì)胞譜系是如何形成的。”

研究人員在論文中指出，需要進(jìn)一步的研究來闡明整合的人類細(xì)胞是否與野生型豬中腎的發(fā)育狀態(tài)一致。優(yōu)化人多能干細(xì)胞（外源因素、培養(yǎng)條件或注射程序）有可能促進(jìn)嵌合，但這可能會導(dǎo)致對不理想譜系的貢獻(xiàn)增加，因此需要仔細(xì)評估。例如，對胎盤等胚胎外組織的過度貢獻(xiàn)可能會增加發(fā)育中胚胎的免疫排斥風(fēng)險。為了指導(dǎo)整體優(yōu)化過程，使用單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)分析不同發(fā)育階段器官發(fā)生障礙或野生型宿主胚胎內(nèi)供體細(xì)胞的動力學(xué)將是有價值的。

2016年，英國廣播公司（BBC）曾報道過相似的研究：美國加州大學(xué)戴維斯分校（UCD）繁殖生物學(xué)家帕布洛·羅斯（Pablo Ross）團(tuán)隊(duì)為解決人類可移植器官短缺的問題，試圖通過CRISPR的基因編輯技術(shù)在一個新受精的豬胚胎中，刪除可以發(fā)育成胰腺的DNA，將iPS（誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞）植入豬胚胎，讓它在豬體內(nèi)發(fā)育成可供人類移植使用的胰腺。

這項(xiàng)研究在當(dāng)時引發(fā)了巨大的倫理爭議。美國埃默里大學(xué)（Emory University）倫理學(xué)中心神經(jīng)倫理學(xué)項(xiàng)目主辦的博客曾發(fā)文指出，少量人類干細(xì)胞可能會發(fā)生遷移并進(jìn)入豬胚胎發(fā)育中的大腦，從而賦予后者一部分人類性狀，盡管羅斯堅(jiān)稱，產(chǎn)生一個人類大腦的可能性非常低。

因?qū)惱韱栴}的擔(dān)憂，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）拒絕資助這項(xiàng)研究。