从神话到现实的人兽嵌合体

汤波

在神话故事中，半人半兽的形象屡见不鲜，比如希腊神话中半人半鱼的海神波塞冬、埃及的狮身人面像和中国神话中的孙悟空、猪八戒等等，无一不体现了人类祖先丰富的想象力。在现实中，绝大多数不同物种之间存在不可逾越的生殖藩篱，人类和动物不能合二为一，这是基本常识。不过，在实验室里，科学家们正在利用干细胞技术，试图打破不同动物、人类与动物之间的物种隔离，培育出融合不同动物细胞的嵌合胚胎或嵌合动物，甚至包括人猴嵌合体和人猪嵌合体。

人兽嵌合体创造并不容易

嵌合体，又称嵌合动物，是包含2种或更多种具有不同遗传背景细胞的动物。顾名思义，人兽嵌合体则是既含有人的细胞，又含有动物的细胞的嵌合体。不过，并非所有细胞都能够相互融合发育成嵌合体，一般只有生殖细胞和干细胞才具有这一能力，其中干细胞产生的嵌合体是科学家研究的重点，因为干细胞是一种能自我更新并分化为其他细胞的特殊细胞。那么有没有一种干细胞能分化成动物体的所有细胞呢？1981年，英国生物学家马丁·埃文斯和马修·考夫曼从小鼠的早期胚胎中分离出一种新的干细胞，它们能分化出机体的200多种不同细胞，几乎涵盖小鼠体内所有的细胞类型，这种干细胞就是“胚胎干细胞”。很快，胚胎干细胞成为发育生物学、再生医学等领域的基础工具。

科学家们发现，胚胎干细胞展现出一些令人兴奋的医学用途，比如某些患者的神经细胞受损，通过胚胎干细胞的移植治疗可以重新生长出正常的神经细胞，以修复某些神经系统的疾病，当然这需要找到人类的胚胎干细胞才行。但是，人类的胚胎干细胞并不好找，它在早期胚胎中存在时间极短。小鼠胚胎干细胞被分离出来之后，全世界的科学家就开始了寻找人类胚胎干细胞的竞赛，其中美国威斯康辛大学麦迪逊分校的詹姆斯·汤姆逊等科学家拔得头筹。1998年，詹姆斯·汤姆逊等人首次从遗弃的人类胚胎中分离出胚胎干细胞。人类的胚胎干细胞很快受到科学家的追捧，大家竞相利用胚胎干细胞开展再生医学等方面的研究和应用。不过，人类胚胎干细胞的医疗应用遇到了一个重大难题：因为要获得人类胚胎干细胞，首先得利用精子和卵子结合形成受精卵并发育成胚胎，而要从这些胚胎中分离出胚胎干细胞，则需要将胚胎毁坏。这在一些人（特别是有宗教信仰的人）眼中无异于“杀人”，人类胚胎干细胞的医疗应用因而面临着巨大的伦理争议。

人猴嵌合胚胎

不過，科学问题总有科学的解决之道。2006年，日本生物学家山中伸弥等人巧妙地把4个基因转入成年小鼠的一种皮肤细胞中，这些转基因细胞竟然奇迹般地转变成与胚胎干细胞功能类似的干细胞——具有持久的自我更新能力和广泛的分化能力，这就是诱导多能干细胞（iPS）。值得一提的是，这项研究得益于英国发育学家约翰·格登的贡献，他在20世纪50年代末培育出第一个体细胞克隆动物——非洲爪蟾，证明体细胞也具有全能性，即发育成个体的能力。山中伸弥等人的发现，很好地消除了胚胎干细胞面临的主要伦理争议。如果一些患者需要新的细胞治病，医生们只需要从他的皮肤组织中采集一些体细胞，培育出诱导多能干细胞，再将其分化成所需的各类细胞，即可避免救人先“杀人”的伦理陷阱。

诱导多能干细胞的出现，极大地拓展了干细胞在再生医学、发育基础研究和新药验证等领域的应用潜力，造就了很多热门研究领域——人兽嵌合体正是其中之一。

异种器官移植的新希望

2019年8月初，美国索尔克生物研究所贝尔蒙特教授领导的国际团队，将人类的干细胞注射到猴子早期胚胎内，首次培育出人猴嵌合胚胎。研究人员主要希望将这种嵌合胚胎用于研究一些发育学基础问题，比如人类的干细胞能否在猴子胚胎中正常发育，能否形成人猴嵌合组织或器官以进行异种器官移植。这引起一些人的不安，它们担心人猴嵌合体会进化成反击人类的超级灵长类动物。好在这种人猴嵌合胚胎随即被销毁，只在实验室里存活了不到2周时间。另外，该研究结果尚没有发表在国际同行认可的学术期刊上，其真实性还有待进一步证实。

不过，这并不是贝尔蒙特教授团队首次培育出人兽嵌合胚胎。早在2017年初，他领导的科研团队就在国际顶级学术期刊《细胞》上公布首次培育出人猪嵌合胚胎。

这项研究直指异种器官移植领域。器官短缺是全球性问题，只有5%～10%需要器官移植的患者能够幸运地获得器官供体。因此，科学家希望求助于动物器官，他们认为猪的器官的结构、功能和代谢特点不仅与人类非常相似，而且猪生长快、易繁殖、饲养成本低，是异种器官移植的理想供体。美国、德国、日本和中国等国的科学家纷纷用转基因和基因编辑等基因修饰技术改造猪的细胞，以将其改造得尽量与人体细胞相似，避免器官移植后致命的免疫排斥反应，再通过体细胞克隆技术让克隆猪生长出可供人类移植的器官。

同样是解决免疫排斥问题，贝尔蒙特教授团队则希望另辟蹊径。他们按照山中伸弥的方法，首先在实验室内将人类的皮肤细胞诱导出多能干细胞——理论上这种诱导多能干细胞在一定条件下可以分化成任何人体细胞，包括心肌细胞和神经细胞等——然后将这些诱导多能干细胞移植到猪的早期胚胎中，成功培育出一批人猪嵌合胚胎，这些胚胎在代孕母猪子宫内发育了3～4周时间，这相当于人类怀孕8～10周。与普通胚胎相比，这些嵌合胚胎在母猪体内的发育情况并无显著差异。由于担心伦理争议，研究人员提前终止了代孕母猪的妊娠。

贝尔蒙特团队在这些人猪嵌合胚胎中的确检测到了不同程度的人猪细胞嵌合，但是人类细胞在猪胚胎中的嵌合率非常之低，估计每万个猪细胞中仅有1个人类细胞。研究人员推测，人猪细胞嵌合率太低的原因，可能是因为人类和猪之间的进化距离太远，比如人类和猪的进化距离大约为1亿年，而人与猴子、大鼠与小鼠的进化距离仅为2000万年左右。也就是说，人类和猪之间存在巨大的物种隔阂，猪胚胎并不愿意接纳人类细胞一起共存。

或许正是这一原因，贝尔蒙特教授才希望利用人猴嵌合胚胎作进一步的研究，以此解决人类干细胞在其他动物胚胎中的发育障碍，最终实现人猪嵌合胚胎的临床应用。不过不是没有另一种更靠谱的解决方案，那就是基因编辑，这一方案的可行性已被大鼠和小鼠嵌合体研究充分证实。

并非异想天开

美国索尔克生物研究所的研究人员在培育人猪嵌合胚胎之前，首先建立了大鼠与小鼠嵌合胚胎模型，已验证了其研究思路的可行性。他们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，破坏小鼠受精卵中一些决定器官生成的关键基因，使得这些小鼠的胰脏、心脏和眼睛等器官不能正常发育，形成了器官“空位”，如果不采取补救措施，这种基因编辑小鼠胚胎是无法正常发育的。

人猪嵌合胚胎

不过，当研究人员将大鼠的多能干细胞注射到上述经基因编辑的小鼠胚胎中，构建成小鼠与大鼠嵌合胚胎后，他们惊奇地发现，这些嵌合胚胎竟然能在小鼠子宫内正常生长发育。这些嵌合小鼠出生后能健康存活2年以上，相当于人类寿命的60岁左右。更令人惊喜的是，尽管控制小鼠胰脏和眼睛等器官发育的基因被破坏，但这些嵌合小鼠在大鼠多能干细胞的帮助下，成功发育出新的胰脏和眼睛等嵌合器官，并能在小鼠体内发挥正常的生理功能。这项研究证实，人猪嵌合器官作为人类器官供体并非异想天开。

日本科学家采用与美国团队类似的技术路线，将大鼠和小鼠进行了对调。结果，新生大鼠长出了含有小鼠细胞的嵌合胰脏，大小与大鼠胰脏差不多。日本研究人员还从这种嵌合胰脏中分离出能正常分泌胰岛素的胰岛组织，并移植到患糖尿病的小鼠体内，成功控制了糖尿病小鼠的血糖水平，且1年后小鼠的血糖值依然维持在正常水平。这项研究进一步证明了嵌合器官移植的可行性。

除了人猪、人猴和人鼠等人兽嵌合体，科学家还在开展人兔和人羊等嵌合胚胎研究。其实，最早培育出人兽嵌合体的是中国科学家，早在2003年，中国上海第二医科大学、中国科学院等机构的科研人员就将人类的体细胞核移植到兔子的受精卵内，获得人兔嵌合胚胎。2004年，美国内华达大学医学院的研究人员将人造血干细胞移植到55～60天的绵羊胚胎内，培育出含有15%人类细胞的嵌合绵羊。2005年，美国索克生物研究所的科学家将人类胚胎干细胞移植到14天小鼠胎儿内（小鼠妊娠期为21天左右），并在嵌合小鼠体内检测到人类的神经细胞。2006年，上海交通大学的科学家则将人造血干细胞移植到山羊胎儿体内，培育出含有人体细胞的嵌合山羊，嵌合山羊出生2年后仍可在其体内检测到人体细胞。科学家希望通过人兽嵌合体的研究，来阐明人类多能干细胞发育机制，并且开发人类疾病模型，甚至生产出可供人类移植的器官供体。

在争议中前行

虽然人兽嵌合体的研究正如火如荼地进行着，但是仍然存在一些伦理上的争议：有人担心，含有人类神经细胞的嵌合动物是否会形成人类的思维;有人认为对动物进行嵌合研究，给它们帶来没有必要的痛苦，是否会损害动物的福利;还有人担忧如果将人兽嵌合动物的器官移植到人类身上，动物体内一些未知的内源性病毒是否会感染人类，从而产生新的致命的人畜共患病。

基于这些伦理争议，各国政府也纷纷表明对人兽嵌合胚胎研究的态度。英国、法国和德国等国立法禁止进行将动物干细胞引入人类胚胎中的研究，但是并没有明确反对进行将人类细胞引入动物胚胎中的嵌合体研究。美国对人兽嵌合体研究的态度有些摇摆不定，2009年美国国立卫生研究院出台一项《人干细胞研究指南》，禁止将人类的多能干细胞移植到动物的早期胚胎中。不过，随着人兽嵌合体研究的增加，2016年8月，美国国立卫生研究院又放开了这一禁令，并且成立了一个专家组，对人兽嵌合体研究的资金申请进行道德审查和监管。2019年7月底，日本政府也正式批准了人兽嵌合体的研究。

不过，随着研究的不断深入，以及充分的伦理论证和科学验证，公众所担心的问题也将得到科学的解答，届时造福人类的人兽嵌合体或将变成现实。