这名8岁辍学的农家少年，有望改写人类器官移植格局
▎药明康德/报道
贝尔蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte）教授花了数年时间研究基因如何控制身体各个组织的形状，是什么让细胞发育成翅膀而不是腿。他像个交通警察一样，引导细胞向左走还是向右走。他找到了一种方法，让动物长出额外的肢体。他一直在思索，为什么蝾螈在失去身体的一部分后还能重新长出完美的新器官。他想知道，人类也能有这样的能力吗？
▲位于SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte实验室（图片来源：STAT)
现在，贝尔蒙特教授的团队可能找到了一种方法，“人猪”嵌合体（chimeras）——含有人类细胞的胚胎猪。
如果这项发明能够应用，最终将可以用来培育完整的人体器官，缓解器官移植的致命短缺。它们也可用于药物临床试验：猪体内的人肺可能比目前用的试验动物更能准确地预测在研药物（例如囊性纤维化）的疗效。
他终于找到自己一生中最想做的事
57岁的贝尔蒙特教授出生在西班牙一个贫穷的农民家庭，他8岁就辍学在田里干活，母亲不识字。16岁时他才有机会重新入学。年轻的贝尔蒙特对科学毫无兴趣，他想学哲学。但是在他前往哲学系的路上，一座美丽的建筑吸引了他，然后他就在那里注册了——西班牙巴伦西亚大学（University of Valencia）药学院。
▲巴伦西亚大学药学院（图片来源：巴伦西亚大学）
后来，贝尔蒙特教授一直念完博士，又去了德国海德堡的一个实验室做博士后，研究胚胎基因学。在充满了基因和胚胎组织的实验室，作为生物学家的贝尔蒙特教授考虑了一个哲学问题：单一的细胞怎么能发育成一个完整的个体？细胞分化的指示从哪里来？人类与其他动物究竟有多少差异？
他说，他终于找到了自己一生中最想做的事。
1993年，贝尔蒙特教授加入Salk研究所，成为全球最著名的生物医学研究所之一的一员。不久后，胚胎干细胞的研究开始兴起，这也让贝尔蒙特教授看到了它的潜力。2003年，贝尔蒙特教授的祖国西班牙通过了一项批准干细胞研究的法规。第二年，他就帮助建立了巴塞罗那再生医学中心（Centro de Medicina Regenerativa de Barcelona），在那里可以开展干细胞研究工作。这也让他成为了西班牙干细胞研究的领军人物。
在美国和西班牙的实验室，贝尔蒙特教授都不满足于研究鸡和老鼠——胚胎学的标准实验动物。他在实验室饲养了墨西哥蝾螈（Mexican axolotls），这种两栖动物不仅可以再生肢体，还可以再生下巴，脊椎和大脑。
▲墨西哥蝾螈（图片来源：Izpisúa Belmonte Lab）
他在圣地亚哥的实验室也是当地研究斑马鱼（zebrafish）的第一个实验室，斑马鱼的胚胎发育是透明的，肉眼就可以观察。贝尔蒙特教授说：“我的实验室就像一个动物园”。
▲斑马鱼（图片来源：Izpisúa Belmonte Lab）
他开始探索四肢的再生。对贝尔蒙特教授来说，四肢就像“身体外的小胚胎”。四肢包含许多不同类型的细胞，包括肌肉，骨骼，皮肤和神经，但是它们可以通过特定和复杂的模式，完成再生。另一方面，四肢也很像器官，两者都有相同的基因和发育途径。
来自不同物种的组织可以一起生长？
2006年，日本科学家山中伸弥发现，成年细胞可以重新编程成干细胞，减轻大多数道德问题，再次激活了干细胞研究领域（他后来被授予诺贝尔奖）。一时间大家都认为干细胞能够产生任何物质，包括人体器官，仿佛能够解决一切医学难题。许多实验室蜂拥而上研究干细胞，包括贝尔蒙特教授也尝试过在支架上诱导表达不同的干细胞类型，使其长成特定的器官。
但这些试验大多以失败告终。贝尔蒙特教授说：“当时我们试图用有限的知识来模拟自然”，但是后来发现不能在培养皿中“训练”细胞，也不能形成复杂的三维结构。
然后突然灵光一闪。贝尔蒙特教授想起他去德国做博士后发表的第一篇文章中，将小鼠胚胎组织移植到小鸡胚芽后，发育正常。这表明，发育信号在不同的物种中可能是相似的，而且来自不同物种的组织可能可以一起生长！原来，嵌合体的想法老早就在贝尔蒙特教授的脑中存在了，虽然此后它被搁置了很多年。
贝尔蒙特教授立马在小鼠中开展嵌合体研究。他成功了。各种类型的人类干细胞都可以在小鼠体内生长。但他很快发现，即使可以在老鼠身上长出人类的肝脏，体积也太小了，没有使用价值。
贝尔蒙特教授想到了大型动物。将多能干细胞注入早期胚胎的技术，已经证明可以生成“人牛”嵌合体。但是他发现猪更便宜，而且便于研究。猪和人类在大约9600万年前拥有共同的祖先，猪的器官大小跟人相似，也有在人类医学上应用的先例。
▲贝尔蒙特教授和吴军博士（图片来源：SALK研究所）
所以，他最终选择建立“人猪”嵌合体。但是，让人类细胞在猪体内生长比他们想象的困难得多。最后，这项研究花了4年时间，远超预期。
贝尔蒙特实验室的高级研究员吴军博士是项目主要研究人员，他说：“我们原本已经不指望（在猪胚胎里）看到任何人类细胞了”。
4年，9000头猪，2000个胚胎
贝尔蒙特教授最后是怎么实现这个不可能的任务，突破“人猪”嵌合体培育的重重困难呢？
首先，他利用了规模思维。他召集了西班牙农场的40名猪农，花了4年时间在9000头猪身上进行实验，将人类干细胞注入近2000个猪胚胎。
▲西班牙Agropor工厂的猪，供嵌合体实验使用（图片来源：STAT）
其次，贝尔蒙特教授对发育的理解十分深刻。猪胚胎发育只要3个月，而人类需要9个月，猪和人类细胞在一起发育，就像高速公路上行驶不同速度的汽车，最后一定容易出事故。为了克服这个问题，贝尔蒙特教授在实验中使用了不同年龄的人类干细胞。理论上，接近原始分化状态的干细胞可能最有效，因为它们具有分化为任何类型细胞的潜力；但最终结论是，猪胚胎更容易接受中间状态或稍微老化的人类干细胞。
此外，贝尔蒙特教授也考虑到干细胞发育的空间问题，他是考虑该问题的第一人。去年，他发表了一篇“区域特异性”干细胞的文章，发现一些干细胞的功能更强大是依赖于它们在胚胎中的起源位置。
在这项研究中，注入人类多能干细胞的猪胚胎在培养皿里生长了几天后，被移植到代孕母猪体内继续发育。21到28天之后（猪的妊娠期是114天），研究员收集到186只存活的胚胎。
虽然成功率很低，但是他们做到了。通过在猪胚胎里注入人类干细胞，贝尔蒙特教授团队实现了10万个人类细胞中有1个能够在猪胚胎里存活！
▲在4周龄的嵌合型猪胚胎中，发育中的心脏中的人类细胞（绿色）（图片来源：SALK研究所）
虽然人体细胞比例微乎其微。而且这离培育成器官，还隔着免疫排斥、神经和血管生成的距离，但是哈佛医学院院长，干细胞研究专家Daley教授仍然将这个发现视为“巨大的突破”。
CRISPR技术19天改变达尔文进化规则
这离人类器官移植的临床需求又进了一步。但是贝尔蒙特教授坦承，在猪身上培育人体器官还有很长很长的路要走。
首先，需要研究出人类细胞比例更高的嵌合体。现在他们已经有了突破的方法。其中之一就是被誉为“魔剪”的基因编辑技术CRISPR。利用CRISPR来编辑参与器官发育的基因，可以在宿主的基因组中产生一个空位，然后插入理想的供体基因。
利用CRISPR进行“小鼠大鼠”嵌合体的试验很成功，产生了胰腺、心脏和眼睛中富含大鼠细胞的小鼠。甚至在小鼠的胆囊内，研究人员都观察到了大鼠细胞。这个结果令贝尔蒙特教授令人震惊——数百万年以来，自然界的大鼠都没有胆囊。
▲在嵌合小鼠胚胎中，发育中的心脏含有大量的大鼠细胞（图片来源：SALK研究所）
他说：“这真是太棒了，进化的发生不需要经过数百万年，而是19天（小鼠标准妊娠时间）”！
目前，贝尔蒙特教授正在致力于使用CRISPR技术来增加猪器官中的人体细胞数目。他们实验室发现了两种新型的干细胞，现有实验显示这些干细胞在嵌合体中的存活能力更加强大。其中一种被认为是干细胞研究的顶峰，因为除了能够在体内产生任何类型的细胞之外，它还可以形成胚胎生存需要的组织，如胎盘和羊膜。
结束语
由于伦理的原因，目前，这些“人猪”嵌合体不允许发育到胎儿阶段。但是科学家希望，这项发明最终可以用来培育完整的人体器官，缓解器官移植的致命短缺。以美国为例，此时此刻，正在排队等待器官移植的患者人数高达12万。然而，能够用以移植的器官数量却非常有限，死神往往比可移植的器官更早到来，夺走患者的生命。据估计，2016年，每天都有22名患者在等待器官移植的过程中死去。
为成千上万的绝望的人创造器官移植机会，这也是贝尔蒙特教授认为他能做的最重要的事情之一。我们共同期待技术造福人类健康的那一天早日到来。
参考资料：
[1] The creator of the pig-human chimera keeps proving other scientists wrong
[2] First human-pig chimeras created, sparking hopes for transplantable organs — and debate