人类器官培育缓步前行

编译 张茜

一个美国科研团队在一份预印本中报告说，他们已经在猴子的胚胎中培育出了黑猩猩的干细胞。

成功的啮齿类动物嵌合体实验——正如这只小鼠胚胎中含有大鼠心脏细胞——很难在人类细胞中成功复制

由于人类移植器官的长期短缺，研究人员将目光转向了农场动物。几家生物技术公司正在对猪进行基因工程改造，以提高它们的器官与人体的相容性。也有一些科学家正在寻求一种不同的解决方案：在猪、羊或其他动物身上培育完全的人体器官，然后可以收获这些器官用于移植。

这个想法在生物学上令人生畏，在伦理上也让人担忧。但一些研究小组正在攻克一个关键性障碍：让一个物种的干细胞在另一个物种的胚胎中茁壮成长。最近，一个美国科研团队在一份预印本中报告说，他们已经在猴子的胚胎中培育出了黑猩猩的干细胞。日本最新放宽的法规鼓励研究人员寻求批准进行实验，以提高啮齿动物和猪胚胎中人类细胞的存活率。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的生物伦理学家玄尹洙（Insoo Hyun）表示，这项工作正在平稳地进行中。在新的黑猩猩-猴子嵌合体等方面做出的努力代表着“缓步前行，一边走一边收集数据，”他表示，“我认为这是一种明智的做法。”

最终，研究人员设想将一个人的细胞重新编程，使其处于原始发育状态，可以形成大多数组织，并将这些诱导多能干细胞（IPS）注射入另一个物种的胚胎。胚胎将被植入代孕母亲的子宫内，并允许其发育成正常大小，作为器官供体。IPS细胞可以来自等待移植的人，或者，用一种潜在的更省时省力的方法——人类器官可以提前从其他捐赠者的细胞中生长出来，与关键的免疫信号蛋白相匹配，以防止排异反应。

到目前为止，这一壮举只在啮齿类动物身上进行了模拟。2010年，东京大学干细胞生物学家中内启光和他的团队报告说，他们正在无法自身生长出胰腺的大鼠体内培育大鼠胰腺。在2017年，中内和他的同事们通过移植生长于大鼠体内的能够产生胰岛素的小鼠胰腺组织来治疗患有糖尿病的大鼠。

但是啮齿类动物身上试验的成功并没有在体型较大和进化关系较远的动物中体现出来。2017年，加州圣地亚哥索尔克生物研究所的细胞生物学家吴军（Jun Wu）及其同事报告称，当他们将人类IPS细胞注入猪胚胎，并将胚胎植入母猪体内时，大约有一半的胚胎发育不良，生长缓慢。那些发育到正常大小的胚胎在妊娠一个月后也仅存很少的人类细胞。

目前就职于达拉斯德克萨斯大学西南医学中心的吴军教授已经在培养皿中探索了人类干细胞与非人灵长类动物、大鼠、小鼠、绵羊和奶牛的干细胞是如何相互作用的。他发现了一个他认为非常令人兴奋的现象：不同物种细胞之间存在竞争。在与进化关系较远的动物细胞的竞争中，人类细胞往往会相继死亡，研究小组目前正试图了解其机理。“我想我们已经快弄明白了。”吴军说。

但竞争并不是唯一的问题。灵长类IPS细胞也比早期成功的嵌合体实验中使用的“原始”啮齿类动物干细胞在发育上更成熟，或者说“更充分”一些。因此，它们在嵌合胚胎中存活的可能性更小。中内说，他在加州帕洛阿尔托的斯坦福大学也有一个实验室。为了帮助灵长类IPS细胞生长，他在斯坦福大学的团队和合作者给它们赋予了一种可以阻止细胞死亡的基因。在近期报道的实验中，他们测试了在一种亲缘关系很近的灵长类动物的胚胎中，这种经过修饰的细胞其存活状况如何。

为了避免引起伦理上的担忧，研究小组决定不使用人类的IPS细胞。如果允许加入了人类细胞的非人类灵长类胚胎在代孕母亲体内发育，并且人类细胞存活且能增殖，结果将会获得一个前所未有的灵长类嵌合体。“人们担心人类和动物之间的界限可能变得模糊。”日本京都大学的生命伦理学家藤田文雄说道。他最近在日本公众中进行了一项关于对动物-人类嵌合体态度的调查。受访者尤其担心这些动物可能具有更高的智力或者携带人类的精子和卵子。

中内的研究小组改造了与人类具有最近亲缘关系的黑猩猩的IPS细胞，并将它们植入恒河猴的胚胎中。他们发现，与未经修饰的黑猩猩IPS细胞相比，带有促进生存基因的细胞在植入5天大的猴子胚胎后的2天内更容易存活。很难让一个猴子胚胎在培养皿中存活超过一周，中内说道，但他的团队计划在“不久的将来”将嵌合体胚胎植入雌性恒河猴的子宫，从而进一步培育嵌合体。

中内还向日本的一个政府委员会提交了一份提案，要求将促进生存的基因植入人类干细胞，并将它们注射入小鼠、大鼠和猪的胚胎——而不是非人灵长类动物的胚胎——这些胚胎缺乏对胰腺发育至关重要的基因。研究人员希望，就像在早期的啮齿动物实验中一样，人类细胞将会开始形成缺失的胰腺。他的团队将会把胚胎植入代孕动物体内，但在足月前将它们取出进行研究。这些提议是对日本新法律准则的初步检验。2019年3月，日本彻底解除了一项禁止培育超过14天的人兽嵌合体胚胎或将其植入子宫的禁令。

其他研究小组正在研究适合嵌合体干细胞的不同方案。2019年1月，一个来自耶鲁大学和位于康涅狄格州哈姆登的Axion研究基金会的团队，描述了用一种化学物质培养猴的IPS细胞的过程。这种化学物质引发的基因表达模式就像在小鼠胚胎干细胞中一样，这些细胞更有可能在嵌合体中存活。2019年4月，耶鲁大学干细胞生物学家亚历杭德罗·德洛杉矶（Alejandro De Los Angeles）报道称，这项技术促使人类IPS细胞的基因表达模式发生了类似的变化。他现在正在考虑测试这些细胞在小鼠或其他非人类胚胎中是如何存活的。

这些工作在美国面临障碍。虽然目前还没有明确的禁令，但在2015年，美国国立卫生研究院（NIH）冻结了对涉及将人类多能干细胞——无论是IPS细胞还是来自于人类胚胎的细胞——植入非人类脊椎动物早期胚胎的研究申请的审查。自从一些研究者抗议后，该机构于2016年提出在全面解除禁令的同时，继续对特定的嵌合体实验实施资金禁令，包括将人类干细胞植入非人灵长类动物早期胚胎和繁育可能携带有人类卵子或精子细胞的嵌合体动物。NIH发言人表示，该提议“仍在考虑之中”。

加州大学戴维斯分校从事嵌合体研究的生殖生物学家帕布罗·罗斯（Pablo Ross）说：“这项禁令对这一领域的进展产生了非常大的冲击。衍生出的一些担忧的确应该认真对待，但我认为我们有工具能做到这一点，而这些担忧不应阻止我们追求这一目标。”

由于嵌合体研究进展缓慢，甚至一些支持者预测异种移植——使用非人类组织，如经过修饰的猪器官来进行移植——将会阻碍它们进入临床。“异种移植现在已经来到了黄金时代，”吴说，“我们落后了。”但是，能够创造出更适合人类受体的器官的可能性这一信念，让他和其他人的实验室一直致力于干细胞和胚胎的研究，希望能缩小物种分化。