Cell 报道全球首批人兽嵌合体——医学希望还是伦理之灾？

西班牙 Agropor Facility 的猪被用于制造人猪嵌合体，然而还未有嵌合体发育至胚胎期之后。图片来源：Cell

2017年1月26日，美国索尔克生物研究所（Salk Institute of Biological Studies）科学家在《细胞》（Cell）发表论文称，在仅有几天大的猪胚胎中注入人类干细胞后，猪胚胎开始发育出含有人类细胞的器官。这一进展使人类向实现半兽人的培育又靠近了一步，这既给人以希望，也引起了巨大争议。

这些人猪“嵌合体”在胚胎期就被销毁了，但是该实验说明这项技术最终可用于培育供移植的人体器官，从而弥补移植器官供体的短缺。

撰文  Sharon Begley

翻译  陆静怡

审校  张士超

在美国，有约120000人在等待着器官移植来拯救他们的生命，然而平均每天都有二十多人在等待的过程中亡故。中国的数字同样不容乐观，中国人体器官分配与共享计算机系统 （COTRS） 科研部主任、数据总监江文诗称，截至2015年12月31日，COTRS 系统上肝脏移植有两千多人在排队，等待肾脏移植的更是高达两万余人。世界上大多数国家禁止人体器官买卖，但器官供应的巨大缺口催生了大量的器官买卖犯罪行为。

除用作器官移植供体外，人猪嵌合体还能用来做产前发育的研究以及药物实验。相比其他实验动物，猪体内的人肺也许能更精确地反映治疗囊性纤维化等疾病的潜在药物有怎样的效果。

未参加此嵌合体实验的科学家在《细胞》杂志上发文称，该实验解答了一个存在已久问题：“如果在一个大型动物（而不是小鼠或大鼠）的早期胚胎中植入人类干细胞会发生什么？”“现在我们得到了第一个回答：你会得到一部分人类细胞，尽管数量不算多。这是一个伟大的成就。”斯坦福大学研究先天性心脏病学的 Sean Wu 博士如是说。

早在十余年前，人类就在干细胞生物学邻域取得一定进步，培育嵌合变得更加容易，但自那时起生物伦理学家就对此做出了警告。在一些批评家看来，“中间态”的生命“玷污了人类的尊严，模糊了人与兽的界限，尤其是对一个相信神创论的人来说，这更令人难以接受。”斯坦福大学的生物伦理学者 Hank Greely 说道。

许多生物伦理学家的关注点在于，一旦动物有了足够的人脑细胞，能像人一样感知与思考，会发生什么？ 变成顶着猴、猪、鼠或大鼠皮囊的人？诸如此类的担忧迫使美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）于2015年宣布他们不会资助任何涉及将多能干细胞（具有分化成多种组织或器官潜能）植入早期胚胎或其他动物的实验。（当时国立卫生研究院并没有资助此类研究。）因此人猪嵌合体实验的大部分资金都来源于基金会。

去年八月，美国国立卫生研究院提议解除禁令，换而对嵌合体实验采取特别监督并阻止用人体细胞培育嵌合体。该提议并没有在特朗普政府上台前落实，而特朗普上台的一周，所有的联邦机构都无法签署任何主题的最终行动纲领或规章制度，因此2015年的禁令依然有效。不过这对那些私人或是州政府赞助的实验并没有影响。然而，上一届国会提出的一项条令也许会阻碍嵌合体的研究，该条令包括高达一百万美金的罚款和十年监禁。

谁都摸不准新政府对嵌合体的态度。一位白宫发言人曾受到提问，但他并没有立即给出答复。

决策者貌似还可以考虑很长的时间。因为人猪嵌合体的尝试中，失败的次数远大于成功次数。即使是成功的嵌合体也只带有少量人体细胞。索尔克生物研究所（Salk Institute of Biological Studies）的生物学家、《细胞》杂志上嵌合体论文的第一作者吴军在一次采访中说道：“人体细胞的总占比是非常低的，我们估计一万个猪细胞中只有不到一个人类细胞，并且嵌合体的脑组织中也没有人类细胞。”

但这个实验取得的进展更像是地板，而不是天花板。在同一篇论文中，索尔克研究所 Juan Carlos Izpisua Belmonte 实验室的科学家们还报道了他们所做的大鼠-小鼠嵌合体——在小鼠胚胎中注入大鼠的多能干细胞培育出了大鼠-小鼠嵌合体。到第二年的时候，小鼠的肾、肺、胰、肝和脑中都有一些大鼠细胞，心脏含有的大鼠细胞占比最多，有百分之十。

在运用 CRISPR 基因改造过的小鼠胚胎中，由大鼠干细胞分化而来的细胞的数量随着心脏发育而增多。图片来源：Cell

他们所取得的成就大概要归功于 CRISPR 技术——强大的新基因编辑技术。吴军说：“要在宿主中增加供体细胞的数量，必须使宿主胚胎控制特定器官发育的基因程序失效。”因此，他和他的团队使用 CRISPR 技术在小鼠受精卵中敲除一个或以上发育心脏等特定器官的关键基因。然后，大鼠的干细胞被注入，而本应该分化成心脏细胞的小鼠细胞却因竞争力弱而被取代，大鼠干细胞得以分化成包括心脏、眼睛和胰腺在内的特定器官。

索尔克的团队并没有把 CRISPR 技术运用到人猪嵌合体中来使猪发育出类似人的器官，但是吴军称此类实验已在筹备中。

同样是将多能干细胞注入早期胚胎，其他一些组合却并不适用：科学家无法制造出大鼠-猪嵌合体，还有，尽管他们培育出了人牛嵌合胚胎，但他们并没有把胚胎移植到奶牛体内使其发育成胎儿。

此外，不难看出培育人猪嵌合体比科学家预想的要难很多，预计一年就能完成的实验实花了四年时间。首先，他们把成熟细胞还原为“诱导多能干细胞”，然后给1506个猪囊胚各注入3到10个人类多能干细胞。

等胚胎在培养皿中培育一段时间后，科学家将它们植入41头代孕母猪体内，每头植入30到50个胚胎。出于伦理因素的考量，他们并没有让这些胚胎完全发育，经过21到28天后，科学家采集到了186个存活者的胚胎，而猪的怀孕期实则有114天。

索尔克生物研究所尝试的多物种嵌合实验。图片来源：Cell

这样的成功率有点偏低。然而在1996年制造出多利羊的克隆技术发展历程同样坎坷，而现如今，牛、羊、猪以及一些宠物都可以模式化克隆。如果干细胞和 CRISPR 的结合技术也能像克隆技术一样慢慢成熟，也许不久之后，猪不仅能长出可供移植的人类心、肺、肝和肾，还能比目前的实验动物更真实地模拟人类的疾病从而进行药物实验。

当然了，要想达到这一步，嵌合体必须完全发育、出生并长大。而那些人猪嵌合体中，人类细胞最多的胚胎发育程度最低，而人类细胞最少的胚胎似乎能更正常地发育。吴军说：“许多人都不看好两个进化历程相去甚远的物种能培育出足月的嵌合体。”

猪和人在九千六百万年前有着共同的祖先。而那些更相近物种的嵌合体试验取得了更大的进展。

2017年1月25日，科学家在《自然》杂志上发文（DOI: 10.1038/nature21070）称，他们通过向大鼠受精卵注射小鼠多能干细胞的方式，培育出了小鼠-大鼠嵌合体，这些嵌合体发育出了与小鼠非常类似的胰腺。当把这些细胞植入患有糖尿病的小鼠体内后，它们分泌出了大量胰岛素，治愈了小鼠的糖尿病。

任何由嵌合体发育而成的“人体”器官，若想用于移植或是研究，都必须做到高度仿真。科学家还不能确定仅仅靠 CRISPR 进行基因敲除是否能达到要求。然而，用嵌合体来培育人体器官起码比在培养皿里把干细胞培植成三维且能发挥功能的组织器官容易，毕竟前者器官的发育过程是可以进行跟踪研究的。

加利福尼亚大学的干细胞生物学家 Paul Knoepfler 说：“含有人类细胞的嵌合体为人类的发展打开了一扇独特的窗户。”

对于嵌合体，吴军补充道：“这项技术还给了我们一个契机，可以观察人类细胞如何生长，器官如何形成，以及基因突变如何导致严重畸形乃至流产。”

包括他在内的科学家都想知道，如果可以的话，嵌合体何时能够成为移植器官供体来源。然而 Knoepfler 却说：“人类细胞很难在嵌合体中有完全正常的表现。”宿主的细胞在获得供血、连接结缔组织等方面更有优势。他还说：“这一问题会在将来的某一天阻碍人类细胞发挥正常功能，甚至使其完全丧失功能。”

那么如果这些器官能够正常工作呢？Knoepfler 说若是嵌合体中的人类细胞足以发展成可供移植的器官，那么嵌合体脑组织中的人类细胞也很可能会“超量”。 Knoepfler 质问道：“倒底嵌合体脑组织中有多少人类细胞才算‘超量’？而整个嵌合体中有多少人类细胞算‘太多’？没人知道。”

斯坦福大学的 Greely 预测，与此有关的伦理争论将会终止。他说：“在美国，想要对付生物伦理学家，最好的王牌就是特朗普。你只要从这个角度出发（比如说嵌合体可以为濒死的患者提供移植器官），那么在政治上，你已立于不败之地。”

图片来源：Forbes

原文链接：https://www.statnews.com/2017/01/26/first-chimera-human-pig/?s_campaign=stat:rss

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论文信息：

【题目】Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells

【作者】Jun Wu, Aida Platero-Luengo, Masahiro Sakurai, Atsushi Sugawara, Maria Antonia Gil, Takayoshi Yamauchi, Keiichiro Suzuki, Yanina Soledad Bogliotti, Cristina Cuello, Mariana Morales Valencia, Daiji Okumura7, Jingping Luo, Marcela Vilariño, Inmaculada Parrilla, Delia Alba Soto, Cristina A. Martinez, Tomoaki Hishida, Sonia Sánchez-Bautista, M. Llanos Martinez-Martinez, Huili Wang, Alicia Nohalez, Emi Aizawa, Paloma Martinez-Redondo, Alejandro Ocampo, Pradeep Reddy, Jordi Roca, Elizabeth A. Maga, Concepcion Rodriguez Esteban, W. Travis Berggren, Estrella Nuñez Delicado, Jeronimo Lajara, Isabel Guillen, Pedro Guillen, Josep M. Campistol, Emilio A. Martinez, Pablo Juan Ross, Juan Carlos Izpisua Belmonte

【期刊】Cell

【日期】26 January 2017

【DOI】10.1016/j.cell.2016.12.036

【摘要】Interspecies blastocyst complementation enables organ-specific enrichment of xenogenic pluripotent stem cell (PSC) derivatives. Here, we establish a versatile blastocyst complementation platform based on CRISPR-Cas9-mediated zygote genome editing and show enrichment of rat PSC-derivatives in several tissues of gene-edited organogenesis-disabled mice. Besides gaining insights into species evolution, embryogenesis, and human disease, interspecies blastocyst complementation might allow human organ generation in animals whose organ size, anatomy, and physiology are closer to humans. To date, however, whether human PSCs (hPSCs) can contribute to chimera formation in non-rodent species remains unknown. We systematically evaluate the chimeric competency of several types of hPSCs using a more diversified clade of mammals, the ungulates. We find that naïve hPSCs robustly engraft in both pig and cattle pre-implantation blastocysts but show limited contribution to post-implantation pig embryos. Instead, an intermediate hPSC type exhibits higher degree of chimerism and is able to generate differentiated progenies in post-implantation pig embryos.

【原文链接】

http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)31752-4

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