[科普中國(guó)]-日本批準(zhǔn)人-動(dòng)物混合胚胎實(shí)驗(yàn)，真能培育出人類器官嗎？

今年7月24日，日本文部省批準(zhǔn)了東京大學(xué)關(guān)于“使用誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞（Induced pluripotent stem cells，簡(jiǎn)稱 iPS 細(xì)胞）在鼠科實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)生成人體器官”的研究計(jì)劃，該新聞一出，立即引起了軒然大波。日本各大主流媒體都對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道，《自然》雜志也發(fā)表了新聞評(píng)論文章。這項(xiàng)研究突破了以往科學(xué)界所設(shè)定的倫理界限，是全球首例人類-動(dòng)物胚胎實(shí)驗(yàn)，因此得到了多方的關(guān)注。這到底是一項(xiàng)怎樣的研究？進(jìn)行此類研究有何用意？這項(xiàng)技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)的距離？這篇文章將為大家揭示答案。由于擔(dān)心人獸混合有機(jī)體的誕生所帶來的倫理爭(zhēng)議，人類和動(dòng)物的雜交實(shí)驗(yàn)一直被國(guó)際禁止。直到今年3月，日本仍然明確禁止培育超過14天的含有人類細(xì)胞的動(dòng)物胚胎，或?qū)⑦@些胚胎移植到替代子宮中。但在3月，日本文部科學(xué)省發(fā)布了新的指導(dǎo)方針，允許創(chuàng)造人類-動(dòng)物胚胎，這些胚胎可以移植到替代動(dòng)物體內(nèi)并進(jìn)入足月。在此之前，人類-動(dòng)物雜交胚胎已在美國(guó)等國(guó)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但從未成功。盡管美國(guó)允許進(jìn)行此類研究，但在2015年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院開始暫停為此類工作提供資金。這項(xiàng)研究會(huì)“造出什么”？該次計(jì)劃是由東京大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所特別任命的中內(nèi)教授提交的。他和其他研究者的計(jì)劃如下：首先創(chuàng)造一種動(dòng)物胚胎，這種胚胎缺乏生產(chǎn)某種器官（如胰腺）所必需的基因。然后將人的誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞注入該動(dòng)物胚胎。誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞是那些已經(jīng)重新編程為胚胎樣狀態(tài)的細(xì)胞，可以產(chǎn)生幾乎所有的細(xì)胞類型。隨著動(dòng)物胚胎的發(fā)育和出生，借助動(dòng)物的體內(nèi)環(huán)境，可以幫助這些人類的多能干細(xì)胞分化生成人類的胰腺，以用于臨床移植治療。再具體一點(diǎn)，如下圖所示：首先提取胰臟器官缺損大鼠的受精卵，將人的誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞植入這些受精卵中，制成特殊的胚胎。再將這些胚胎移植到代孕的大鼠中，目的是令這些懷孕大鼠產(chǎn)下的子代體內(nèi)產(chǎn)生人類的胰臟細(xì)胞，乃至類器官組織。在出產(chǎn)后持續(xù)觀察2年，當(dāng)人體細(xì)胞超過30%時(shí)，實(shí)驗(yàn)會(huì)被終止。不僅是胰臟，這項(xiàng)計(jì)劃還會(huì)嘗試肝臟和腎臟。將來，還將在豬或羊身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以獲得和人類大小尺寸相似的器官。日本政府在2012年前后就開始討論這項(xiàng)研究，今年3月，在充分考慮研究目的、目標(biāo)動(dòng)物種類等社會(huì)和倫理問題，并聽取宗教學(xué)者的意見后，最終批準(zhǔn)了這項(xiàng)研究。為了防止人與動(dòng)物之間界限不明確的生物體的誕生，政府要求其必須頻繁地向倫理委員會(huì)匯報(bào)研究進(jìn)展。解決“器官移植”問題器官移植仍然是多種致命疾病的唯一治療方法，然而供體的缺乏，使得患者往往在等不到救助時(shí)就失去生命。例如，美國(guó)有超過76,000名患者需要接受移植手術(shù)，并且每隔10分鐘就會(huì)有1個(gè)人加入等待供體的隊(duì)伍中。志愿者或者是家族親屬依然是供體器官的主要來源。然而，從事再生醫(yī)學(xué)研究的科學(xué)家們始終希望可以通過體外培養(yǎng)細(xì)胞或器官，來一勞永逸地解決移植供體短缺的問題。誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞（由早期胚胎中提取出的具有多向分化能力的干細(xì)胞）等多種干細(xì)胞都有潛力分化成身體各個(gè)臟器的細(xì)胞，例如心肌細(xì)胞，血管細(xì)胞，胎盤細(xì)胞，腎臟細(xì)胞等等。這些組織細(xì)胞可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行無限量的增殖，也可以生成一些類似器官的特異性細(xì)胞團(tuán)，或者一些微型器官（類器官）。但在體外利用干細(xì)胞生成完整的并具有功能性的器官以用于移植，仍然遙遙無期。想要跨過這個(gè)障礙，必須進(jìn)行大膽的嘗試。小鼠-大鼠胚胎試驗(yàn)中內(nèi)教授的團(tuán)隊(duì)希望可以借助動(dòng)物的體內(nèi)環(huán)境得到人類器官。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，他們首先在小鼠和大鼠這兩種鼠科動(dòng)物身上做了實(shí)驗(yàn)，也就是，制造小鼠-大鼠混合胚胎。實(shí)驗(yàn)過程如下：將大鼠的多能干細(xì)胞注射到小鼠的胚泡（受精卵發(fā)育到第五天時(shí)，有100個(gè)細(xì)胞左右，呈泡狀，稱為胚泡）中。這些胚泡在代孕小鼠中繼續(xù)發(fā)育，出生后的小鼠體內(nèi)產(chǎn)生了大量的大鼠胰腺細(xì)胞（胰島）。這些胰島雖然具有正常功能，然而問題是它們只具有和小鼠匹配的大小，無法達(dá)到治療糖尿病大鼠的效果。因此他們又進(jìn)行了逆向?qū)嶒?yàn)，如下圖所示，將小鼠多能干細(xì)胞注射到經(jīng)過轉(zhuǎn)基因處理的沒有胰臟的大鼠胚泡中，再將這些大鼠胚泡移植到代孕大鼠體內(nèi)，出生的大鼠就含有小鼠干細(xì)胞衍生出的胰臟細(xì)胞。這些胰島移植到糖尿病小鼠中后，宿主血糖水平穩(wěn)定維持了超過370天。這些鼠科動(dòng)物的數(shù)據(jù)有力地說明了在異種宿主間通過胚胎融合（稱為胚泡互補(bǔ)）進(jìn)行治療疾病的潛力。培養(yǎng)人類器官的難點(diǎn)鼠科動(dòng)物研究中的成功經(jīng)驗(yàn)讓中內(nèi)教授大膽提出了終極目標(biāo)——利用相似技術(shù)在動(dòng)物身上培養(yǎng)人類器官。然而，通過胚泡互補(bǔ)培養(yǎng)組織乃至器官仍然存在不少問題。首先，來自不同物種的殘留細(xì)胞將可能污染供體器官。目前為止，研究?jī)H限于在相似種類動(dòng)物間進(jìn)行，即都是嚙齒類動(dòng)物。大鼠和人類畢竟是差異甚大的不同物種，是否能夠得到人體適用的功能性胰島仍然存在疑問。另外一個(gè)必須考慮的問題就是免疫排斥，在臨床上進(jìn)行移植治療時(shí)，最棘手的問題就是免疫排斥。以往數(shù)據(jù)顯示，同種異體移植遠(yuǎn)比自體胰島移植難度大，而異種移植顯然更加困難，50％-70％的胰島在異種移植后立即被超急性排斥破壞。盡管小鼠-大鼠胚胎試驗(yàn)中，沒有發(fā)生這樣的過度急性反應(yīng)，但是我們?nèi)匀粨?dān)心動(dòng)物胚胎中產(chǎn)生的人類細(xì)胞再移植到患者體內(nèi)后，人體能否順利接納或消除胰島中仍然存留的包括血管，基質(zhì)等動(dòng)物細(xì)胞。如果不能解決與這些異體細(xì)胞的共存問題，免疫排斥效應(yīng)依然是這項(xiàng)研究在臨床應(yīng)用上的難點(diǎn)。除了實(shí)驗(yàn)上的難點(diǎn)之外，大部分科學(xué)家仍然擔(dān)心這項(xiàng)研究會(huì)突破倫理道德界限。一些生物倫理學(xué)家擔(dān)心人體細(xì)胞可能會(huì)偏離目標(biāo)器官的發(fā)育，前往發(fā)育中的動(dòng)物的大腦并可能影響其認(rèn)知，進(jìn)而導(dǎo)致不明確生物體的出現(xiàn)。為此中內(nèi)教授也稱，“在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮到了這些問題。將進(jìn)行有針對(duì)性的器官生成，細(xì)胞只能進(jìn)入胰腺”。離實(shí)際應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？除了異種動(dòng)物之間的胚泡互補(bǔ)，中內(nèi)教授還提出了另外的技術(shù)路線，即在患者之間或者患者-健康人之間進(jìn)行更直接的臨床轉(zhuǎn)換?；蛘呃迷谶M(jìn)化方面與人類更為接近的豬或靈長(zhǎng)類動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣產(chǎn)生的胰島與人類胰島在功能和免疫學(xué)上將更為相似。按照以往經(jīng)驗(yàn)，讓人類細(xì)胞在另一個(gè)物種中生長(zhǎng)并不容易。2018年，中內(nèi)教授及其同事在德克薩斯州奧斯汀舉行的美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)會(huì)議上宣布，他們已將人類誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞置于綿羊胚胎中，然而這些胚胎無法產(chǎn)生胰島。生長(zhǎng)28天后的雜交胚胎含有非常少的人體細(xì)胞，且沒有類似器官的東西。這可能是因?yàn)槿伺c綿羊之間的遺傳距離。使用進(jìn)化上距離較遠(yuǎn)的物種，進(jìn)行人-動(dòng)物雜交胚胎的相關(guān)研究困難重重。因此為了進(jìn)一步推動(dòng)人-動(dòng)物胚胎雜交技術(shù)的發(fā)展，還需要對(duì)物種之間的基因和分子方面的理論基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究。為此，中內(nèi)教授計(jì)劃在胚胎早期發(fā)育的不同階段試驗(yàn)誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，并嘗試一些轉(zhuǎn)基因誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，以此確定到底是什么限制了動(dòng)物胚胎中人體細(xì)胞的生長(zhǎng)。另外，利用大型動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究倫理方面存在更多顧慮，相關(guān)實(shí)驗(yàn)應(yīng)謹(jǐn)慎執(zhí)行，進(jìn)展應(yīng)及時(shí)向主管部門匯報(bào)，民眾也應(yīng)獲得一定的知情權(quán)。作者 | [中]卓思 日本理化學(xué)研究所 研究員審稿 | [中]陸修遠(yuǎn) 大阪大學(xué)免疫前沿研究所 研究員責(zé)編 | 高佩雯文章由騰訊科普“科普中國(guó)頭條創(chuàng)作與推送項(xiàng)目”團(tuán)隊(duì)推出轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自科普中國(guó)