人-猴嵌合体:培育人类器官又向前跨越一小步

摘要:

近日昆明理工大学和美国索尔克生物研究所的科学家团队在《细胞》杂志上发表论文,宣布成功构建了世界首例人-猴嵌合胚胎,即同时具有人和猴细胞来源的胚胎。这一发现表明人源多能干细胞能够在猴子胚胎中存活并整合,并且有向不同器官类型分化的趋势。

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那么,这项研究的意义究竟是什么?是否能够为人类器官移植研究带来新的希望?又或是对科研伦理提出了新的的挑战?

器官移植面临的挑战

在器官移植技术得以临床运用之前,许多疾病,例如终末期肾功能衰竭,终末期肝硬化的病人可能只能在重症监护室中通过透析机等机器来维持生命,并最终死亡,给许多家庭带来了沉重的精神和经济负担。随着器官移植技术的临床普及,给予了很多病人第二次生命,因此器官移植也被称为“二十一世纪医学之巅”。1990年两名器官移植的先驱,美国医生Joseph Murray和EDonnall Thomas获得了诺贝尔生理和医学奖。

然而,器官移植现状却是:全球每年大概有200万人亟待通过器官移植拯救生命,我国每年约有30万人需器官移植,最终只有约1万人能完成移植。等待,焦急的等待,最终绝望的等待可能是绝大多数病人的现状,也是我们健康人无法体会到的痛楚。此外,即便获得了可移植的器官,巨额的治疗费用以及随后长期服用抗排斥药物的费用,仍然是患者巨大的负担。若能以患者自身来源的多能干细胞为材料,再利用实验动物产生出具有功能的器官移植回患者体内,就能有效避免排斥反应的发生,这必将是医学发展的又一高峰。而嵌合体技术,就是实现这一设想的重要手段。

异种嵌合体技术打开了器官供体来源的另一扇门

2010年东京大学中内启光(Hiromitsu Nakauchi)团队在《Cell》发表研究成果,通过异种嵌合体技术,将大鼠的多能干细胞注射到不能形成胰腺的小鼠囊胚中,移植回代孕母鼠体内,产生了具有健康胰腺的小鼠。但是该胰腺只有小鼠胰腺大小,分离出的胰岛数量太少而不能用于治疗糖尿病大鼠模型。随后2017年该团队在《Nature》公布了研究成果,实现了在大鼠体内产生了完全来自于糖尿病小鼠多能干细胞的自体胰腺,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后,成功控制了小鼠的血糖水平。这些研究成果令大家感到兴奋,异种嵌合体技术为器官的异种来源带了曙光。

1年后小鼠的血糖值依然维持在正常水平(Toshihiro Kobayashi et al, cell,2010; Toshihiro Kobayashi et al, nature, 2017)。1年后小鼠的血糖值依然维持在正常水平(Toshihiro Kobayashi et al, cell,2010; Toshihiro Kobayashi et al, nature, 2017)。

实现在动物体内培育出可供移植的人类器官还要多久?

虽然小鼠-大鼠异种嵌合的成功给人类利用异种嵌合技术获取人类器官带来了希望,但是要实现在动物体内培育出可供移植的人类器官还相当遥远!科学家希望有一天能够在猪的体内运用病人干细胞,生产所需器官,因为猪的肾脏,心脏,胰腺等器官,与人器官的大小接近,且用猪作为人器官生产的供体更容易被大众所接受。为此,2017年科学家成功在猪体内成功培育出3到4周的人猪嵌合体(相当于人类怀孕8到10周),令人遗憾的是,这些猪的胚胎中,每十万个猪细胞中可能才只有一个人的细胞。远远没有达到能够有效在体内产生功能性组织的水平。要知道在进化距离较近的大鼠和小鼠之间,两者整体嵌合率可以达到20%-30%。通过互补,在某些器官嵌合率可以达到90% 以上。

图来源于:https://www.utsouthwestern.edu/labs/wu-jun/contact/图来源于:https://www.utsouthwestern.edu/labs/wu-jun/contact/

为了提高嵌合效率,全球科学家做了很多努力,2017年通过在人类胚胎干细胞中过表达抗凋亡基因BCL2及BCL2L1,获得了人-鼠异种嵌合小鼠胚胎,并证明其同时具有胚内、胚外组织的嵌合能力。在10.5天的人小鼠嵌合体中检测到人干细胞的嵌合率高达1%。通过建立具有胚内和胚外发育潜能的小鼠和人的新型多能干细胞,即具有全能性特征的多潜能干细胞系(EPS细胞)。并且证明人EPS细胞注射到早期小鼠胚胎后,能够稳定地嵌合到小鼠胚内和胚外组织中,其胚内整合比例比已报道的整合效率提高了近20倍。2019 年我国科学家优化了嵌合体构建技术,实现了“猪猴嵌合体”,并存活1周。嵌合体仔猪各个器官嵌合率在千分之一和万分之一之间,极大了提高了效率,异种嵌合向着临床运用又迈向了坚实的一步。

尽管科学家的做了研究和努力来提高异种嵌合效率,但异种嵌合物种之间的前缘关系或者说进化关系的远近极大了影响了嵌合体的形成。要确实提高人-动物异种嵌合体形成的效率,在与人相近的物种中,灵长类动物是一个理想的模型。遗憾的是,由于技术发展的限制,这方面是研究未取得突破性的进展。

科学技术的发展促进了人-猴嵌合体的诞生

2017年全新的人多能干细胞培养体系的建立,为人猴嵌合体的构建打下了细胞学基础;2019年猴胚胎体外培养20天体系的建立,为详细研究嵌合体发育打下了技术基础。融合两项新技术,科学家们首次在人近缘物种——猴中探索了可能影响异种嵌合体发育的因素。研究发现人的细胞和猴胚胎细胞之间的互相作用影响了嵌合体胚胎的发育,并发现了可调控的潜在靶点基因。期待在未来的研究中可以通过调节这些信号通路来改善人类细胞在猪或其他远缘物种胚胎中的嵌合度。从长远来看,有希望利用异种嵌合体这一研究平台研究早期人类发育、设计疾病模型,而且希望找到筛选新药的新方法,并期望在体外产生能用于临床的器官。

总的来说,人-猴嵌合体胚胎的成功,一方面说明了近缘种能大大提高人类细胞的嵌合效率在4%左右,远远超过之前报道的人-猪,人-鼠嵌合胚胎。同时,也指出了种属间的差异是异种嵌合的主要壁垒。该研究回答了异种嵌合细胞如何互作及发育程序差异如何调节等基础科学问题,为解决异种嵌合效率低下等问题提供新的思路,对器官再生研究具有指导意义。

灵长类动物在生物医学研究中必不可少

灵长类动物在亲缘关系上与人最接近,其进化程度高,在组织结构、免疫、生理和代谢等方面与人类具有高度的近似性,灵长类动物应用于生物医学研究已经有很长的历史,是医学研究中具有极高价值的实验动物,应用价值远超过其他种属的动物。

疾病与基础研究

灵长类动物是制作人类动物疾病模型最理想的实验动物。如帕金森病(parkinson‘s disease,PD) 是一种常见的神经系统变性疾病,老年人多见,平均发病年龄为60岁左右。临床表现为静止性震颤,肌张力增高,运动障碍,姿势异常等。虽然目前该病治病机制仍然不明。但是,早在1999年就发现暴露于1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)的人出现了帕金森症状。目前通过MPTP建立的PD动物疾病模型被公认为最具代表性。注射MPTP的猴模型表现出与人类帕金森病极为相似的症状,如震颤,强直,运动障碍等表型。

瑞特综合征(Rettsyndrome,RTT)是一种严重影响儿童精神运动发育的疾病,发病率为1/10000~1/15000,主要发生在女孩身上。6个月到18个月内开始出现症状,逐步丧失语言和行动能力,表现出运动失常、癫痫、呼吸系统障碍、自闭症状、手部刻板行为等。2017年建立RTT食蟹猴模型,表现出与病人高度相似而啮齿类模型未出现的一系列病理和行为学特征。如雄性胎儿在胚胎期均流产,雌性动物存在睡眠障碍、主动社交显著减少、刻板行为增加、脑发育异常等。证明非人灵长类在神经系统疾病研究较啮齿类有无法比拟的优势,这将对未来更深入地开展神经系统疾病发病机理研究和治疗有重要意义。

早衰症(Hutchinson-Gilford Syndrome,HGPS),全称早年衰老综合症,又称儿童早老症,属遗传病,Hutchinson于1886年首先报告。身体衰老的过程较正常快5至10倍,患者样貌像老人,器官亦很快衰退,造成生理机能下降。现未有有效的治疗方法,只靠药物针对治疗。2020年建立HGPS食蟹猴证实,早衰猴模型较高水平再现早衰患者分子和临床表征。将有力推进人类早衰疾病机制和临床治疗的研究工作。另外,早衰症患者和正常衰老者共享大量分子表征,因此对早衰症的研究也可为探索人类衰老秘密提供重要途径。

灵长类动物帮助人类揭开发育生物学中的“黑匣子”,胚胎早期着床后发育是哺乳动物发育中的里程碑事件,然而这一阶段也是胚胎发育的“黑匣子”。这一阶段发育的异常不仅会导致胚胎流产,也会对将来整个个体的生长与发育产生深远的影响。由于伦理和技术的限制,对于人着床后胚胎发育的研究几乎不可能开展。2019和2020年实现了食蟹猴胚胎体外20天的培养和人胚胎体外14天的培养,系统解析了灵长类胚胎着床后特别是原肠运动时期重要的分子与细胞生物学事件,为破析胚胎发育的“黑匣子”提供了重要技术支撑。

应用研究

灵长类动物为人类疾病治疗带来了新的希望。2021年有报道表明,通过注射MPTP建立与人类帕金森病极为相似猕猴模型,研究人员利用猕猴自体诱导多能干细胞,再将其诱导分化为多巴胺神经前体细胞治疗PD猴模型。结果发现,经过2年左右的时间后,接受自体移植的PD猕猴的运动障碍和抑郁症状得到明显改善,而且正电子发射断层成像(PET)显示其大脑中的移植脑细胞生长良好。该研究证明了自体移植疗法对帕金森病的有效性,而且使用自体移植可以避免类似同种异体移植产生免疫抑制的风险,这也为帕金森病患者的治疗带来了新的希望。

灵长类动物在疫苗研发中功不可没。自2019年12月至今,新型冠状病毒肺炎(COVID-19)已肆虐全球,造成全球1.5亿多人感染。疫苗是终结新型冠状病毒肺炎最有力武器。各国都投入巨大的人力财力资源来研发新冠疫苗,在这场新冠疫苗研发大战中,最抢手的实验动物不是大小鼠,而是猴。因为用猴进行疫苗在临床前安全性和有效性的评价比其它物种更为可靠。不止新冠疫苗,还有埃博拉疫苗、传染性非典型肺炎(SARS)疫苗等,背后的大功臣都是灵长类动物。

类似的基础研究和应用研究例子数不胜数,由此可见现在国内国外生物医学研究,从基础到临床,都离不开灵长类动物,它们代替我们承受了痛苦和死亡,我们每个人都是这些实验动物的受益者。

伦理思考和讨论

正因为非人灵长类与人类高度相似,且在生物医学研究中的不可或缺,由此引起的伦理问题讨论是必要的。就人-猴嵌合胚胎而言,研究更多的是在于了解人细胞在嵌合过程中发生了什么,目的是为解决异种嵌合效率低下等问题提供新的思路,并不有悖伦理。首先人猴嵌合体胚胎绝不是人猴杂交。杂交的意思是通过基因融合,创造新物种。此次人猴嵌合胚胎是把猴子胚胎作为人干细胞发育的环境,本质上并未发生生殖嵌合。就好比猴子的胚胎是个房子,猴子细胞是这个房子的主人,而人的细胞只是来猴子家做客的客人而已!其次,人猴嵌合胚胎,是利用体外延迟培养技术,整个实验过程都是在体外进行,没有进入动物体内。这一研究遵循了国际和国家的道德规范,法律和社会准则。要想实现利用动物产生人类器官,这一研究是值得鼓励的。

科学技术发展的目标并不是要制造人-兽杂交的生物体,而是要探索生命发生、发育的奥秘,解决人类所面临的疾病困扰和健康长寿。公众对科学技术进步的认识有一个过程,科学家要向公众解释研究的意义,媒体也要客观、正确地科学报道,消除公众的误解。最终,为了人口健康的需求,使伦理规定与科学技术发展和谐,促进人类社会发展。

作者:季维智(中国科学院院士) 牛昱宇 谭韬

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