动物体内可以长出人类器官，干细胞技术实现再生梦想！
作者：余大为 李天达 （中国科学院动物研究所 干细胞与生殖生物学国家重点实验室）
如果把人体比作一辆汽车，那么体内的各种器官就相当于车里的零件。汽车出现故障，更换零件后还能上路，要是人的器官能像汽车零件一样，坏了就做个器官移植，这辆“人体汽车”一定会跑得更久吧？
但是……
图1 理想很丰满，现实很骨感！
器官移植，供体短缺
器官移植是将器官整体或局部从一个个体通过手术方式转移到另一个个体的过程。其目的是用功能正常的器官替代损坏或功能丧失的器官。
目前，器官移植的瓶颈是供体短缺问题，仅在中国，每年就有150万左右的患者等待器官移植，而依靠捐献完成的器官移植仅有1.1万例，供求比仅为1:150。
图2 公民自愿捐献是器官移植唯一合法器官来源
公民自愿捐献是现在器官移植唯一合法器官来源。虽然我国器官捐献在数量上已处于亚洲国家首位，百万人口捐献率达到2左右，相比2010年增长了100倍，但器官移植供体缺口依旧很大，器官紧缺已成为制约我国器官移植发展的瓶颈。
器官不够，动物来凑
为了解决人类移植器官的来源问题，人们纷纷把目光聚焦在动物身上。
与人类最接近的是猩猩、猴子等非人灵长类动物，但是它们体内存在众多会感染人的病毒（如艾滋病毒），繁殖能力相对较弱（单胎，繁殖周期长），并不适于作为大量的器官供体来源。
而猪被视作一种比较理想的器官供体来源，其器官大小、解剖和生理生化特征与人相似性高，还具有较强的繁殖性能。
然而，要将猪的器官移植给人类，首先要解决免疫排斥反应和猪源病毒危害人类健康这两个问题。
图3 可以移植到人身上的猪器官（图注：1 心脏，2 肺，3 肝，4 肾，5 胰腺）
近二十年来，科学家利用新型的基因修饰策略解决免疫排斥及猪源病毒等安全性问题，并取得了跨越式的进展。
图4 转基因克隆猪生产人类器官
然而，即便是解决了急性免疫排斥的问题，异种来源的器官移植对于大多数病人来说，仍面临更长时间的免疫排斥问题，患者必须长期甚至终身服用免疫排斥药物，对患者造成严重的身心和经济负担。
更重要的是，对于胰岛、肝脏等分泌功能性蛋白的器官，猪源性蛋白与人类蛋白序列之间的差异将导致蛋白无法在人体内发挥完全等同的生物学功能。因此，利用基因修饰的猪器官能否直接移植给患者仍然有待商榷。
看来只靠“二师兄”单打独斗很困难，不如找个帮手吧！
干细胞登场了！
另一个帮手：“百变”的干细胞
干细胞（Stem Cell）是一类具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化潜能的细胞类型。因其在体内体外分化形成各种细胞类型的能力，因而在发育生物学和再生医学研究中具有重要的应用价值。
自从1998年美国科学家James Thomson首次分离得到人类胚胎干细胞（ESCs）之后，各国科学家致力于利用人胚胎干细胞在体外分化成神经细胞、心肌细胞、胰岛细胞等多种功能细胞，并利用动物模型开展临床前的研究工作。
图5 胚胎干细胞体外分化为多种类型体细胞
动物个体+人类干细胞=异种器官再造！
异种嵌合体技术是将一种动物的多能性细胞注射到另外一个物种的早期胚胎和胎儿以及成体中，形成一个具有两个物种来源嵌合体的方法。
利用干细胞的体内发育潜能，通过异种嵌合技术在动物体内实现异种组织、器官再造，可直接将获得的人类器官进行器官移植或组织修复，它被视为供体器官来源的一种更优的解决方案——这就是异种器官再造！
此方法获得的组织、器官理论上完全来源于人类胚胎干细胞分化细胞，利用胚胎干细胞的个体免疫配型方案，或利用诱导多能干细胞（iPSCs）技术将有望彻底避免组织和器官的免疫排斥问题。
近年来，利用异种嵌合技术再造人类组织、器官已成为各国科学家追逐的热点研究领域，图6介绍了两种主要的方法：（以利用猪制造人类胰腺为例）
图6 利用人胚胎干细胞的异种嵌合技术再造可供移植的组织、器官
第一种方法：将来自病人的或通过免疫配型的多能性干细胞与经过基因修饰特定器官缺陷的猪早期胚胎进行嵌合（图A）。将胰腺功能丧失的病人皮肤细胞诱导成多能性干细胞，将其注射到经基因修饰不长自身胰腺的猪的早期胚胎中，将胚胎移植到代孕猪体内，可能产生长有病人来源胰腺的异种嵌合猪。
第二种方法：将病人来源的多能性干细胞诱导为成体干细胞或前体细胞，然后注射到猪胎儿体内（图B）。将胰腺功能丧失的病人皮肤细胞诱导成多能性干细胞，在体外将其分化成构成胰腺的干细胞或前体细胞，然后将其注射到经基因修饰不长自身胰腺的猪的胎儿中，让其产生人的胰腺。
由于后者需要在体外将人的多能干细胞分化成产生器官的前体细胞，而目前多能性的干细胞体外分化获得的组织、器官类型前体细胞或干细胞种类有限，因此，主要研究多集中在第一种方法，即通过干细胞的早期胚胎嵌合直接获得可移植的器官。
离“兽面人心”还有多远？
动物个体可以长出人类器官，看来人面兽心这个词要改成兽面人心了！现在研究进展如何？什么时候能够用于临床人类器官移植呢？
① 啮齿类动物模型异种器官再造已经实现
2010年，日本京都大学科学家Nakauchi利用小鼠（mouse）和大鼠（rat）两个啮齿类物种实现了干细胞的异种器官的再造。
他们尝试将大鼠胚胎干细胞注射到胰腺缺陷的小鼠囊胚中，在小鼠中生成了大鼠的胰腺，首次证明了通过胚胎干细胞与异种的胚胎嵌合可以在异种体内生成器官。在随后的研究中，人们利用小鼠、大鼠作为模型获得了胸腺、肾脏等多种器官，并证明了这些器官具有正常的生理功能。
图7 大鼠iPS细胞在小鼠体内获得胰腺组织
② 再造人类器官，干细胞多能性是关键
如何提高人类胚胎干细胞的发育潜能，似乎是解决异种器官再造问题的关键因素。
小鼠的胚胎干细胞是从着床前小鼠囊胚中分离得到的，被认为是目前多能性最高的多能性干细胞（Naive状态），不但能在同种和异种（大鼠）体内获得嵌合体，而且都能够独立的发育为一个个体。
然而，此前获得的人胚胎干细胞从形态、培养成分到分化和分子特征等方面与Naive状态有较大的区别（Primed状态），并且由于伦理问题不能在像小鼠一样在人体内证明这些干细胞的发育潜能。
近年来，大量的研究试图获得发育能力更高的Naive状态的人胚胎干细胞，通过转基因和小分子等培养基优化获得了增殖能力形态以及其他分子特征类似于Naive状态的ESCs：
● 美国科学家Hanna, J. H 和Jaenisch, R.的研究团队分别改进了人类胚胎干细胞的培养体系，获得Naive状态人类胚胎干细胞，并能与小鼠胚胎形成异种嵌合。
● 2015年，Chen等改良培养体系，获得Naive状态猴胚胎干细胞，通过早期胚胎注射嵌合到猴的胎儿中，首次证明了Naive状态的猴胚胎干细胞具有同种的嵌合能力。
● 2016年，美国Salk研究所Belmonte研究组在Cell发表论文，报道了人ESCs能与猪早期胚胎有效形成嵌合、并在二十几天猪胎儿中观察到少量嵌合的实验结果，证明了人ESCs与猪等大动物形成异种嵌合体的可行性。
●2017年，中科院动物所首次报道，仅仅通过表达抗凋亡基因BCL2\BCL2L1可以使Primed状态的人胚胎高效的嵌合到小鼠的胚胎中（如图8所示），该工作提出了灵长类胚胎干细胞的异种嵌合能力，这也许跟所谓的Naive和Primed状态无关，简单提高细胞抗凋亡能力，也许就能够解决人类胚胎干细胞的异种嵌合问题。
图8 将通过表达抗凋亡基因的人胚胎干细胞注入小鼠早期胚胎，能在小鼠胎儿中嵌合（左：6.5天；中：8.5天；右：10.5天）。（来源于：Wang, et al. Cell Research (2017): 1-4.）
虽然，人类、猴子等灵长类胚胎干细胞的多能性状态及其在异种体内分化潜能尚不完全清楚，细胞存活、分化识别，发育时程等关键问题仍未解决，人胚胎干细胞异种嵌合还面临着干细胞发育潜能、细胞存活、发育时称匹配等诸多困难，但是各国科学家正在为实现异种器官再造而努力。
自然界许多生物存在再生能力，海参抛掉的内脏能够再长出来，蝾螈的断肢也可以生长如前。
对于病变或缺损的器官，人类还不能像海参、蝾螈等生物一样，可以自行长出器官进行替换。不过，随着干细胞与再生医学研究领域的进步，异种器官再造等“黑科技”有望能在十年甚至更短的时间内实现。到那时，人类也可以拥有强大的再生能力啦！
（所有图片除注明外均来自网络）
参考文献
Chen, Y., Niu, Y., Li, Y., Ai, Z., Kang, Y., Shi, H., Xiang, Z., Yang, Z., Tan, T., Si, W., et al. (2015). Generation of Cynomolgus Monkey Chimeric Fetuses using Embryonic Stem Cells. Cell Stem Cell 17, 116-124.
Fang, R., Liu, K., Zhao, Y., Li, H., Zhu, D., Du, Y., Xiang, C., Li, X., Liu, H., Miao, Z., et al. (2014). Generation of naive induced pluripotent stem cells from rhesus monkey fibroblasts. Cell Stem Cell 15, 488-497.
Gafni, O., Weinberger, L., Mansour, A.A., Manor, Y.S., Chomsky, E., Ben-Yosef, D., Kalma, Y., Viukov, S., Maza, I., Zviran, A., et al. (2013). Derivation of novel human ground state naive pluripotent stem cells. Nature 504, 282-286.
James, D., Noggle, S.A., Swigut, T., and Brivanlou, A.H. (2006). Contribution of human embryonic stem cells to mouse blastocysts. Dev Biol 295, 90-102.
Kobayashi, T., Yamaguchi, T., Hamanaka, S., Kato-Itoh, M., Yamazaki, Y., Ibata, M., Sato, H., Lee, Y.S., Usui, J., Knisely, A.S., et al. (2010). Generation of rat pancreas in mouse by interspecific blastocyst injection of pluripotent stem cells. Cell 142, 787-799.
Rashid, T., Kobayashi, T., and Nakauchi, H. (2014). Revisiting the flight of Icarus: making human organs from PSCs with large animal chimeras. Cell Stem Cell 15, 406-409.
Simerly, C., McFarland, D., Castro, C., Lin, C.C., Redinger, C., Jacoby, E., Mich-Basso, J., Orwig, K., Mills, P., Ahrens, E., et al. (2011). Interspecies chimera between primate embryonic stem cells and mouse embryos: monkey ESCs engraft into mouse embryos, but not post-implantation fetuses. Stem Cell Res 7, 28-40.
Theunissen, T.W., Powell, B.E., Wang, H., Mitalipova, M., Faddah, D.A., Reddy, J., Fan, Z.P., Maetzel, D., Ganz, K., Shi, L., et al. (2014). Systematic Identification of Culture Conditions for Induction and Maintenance of Naive Human Pluripotency. Cell Stem Cell 15, 524-526.
Wu, J., Platero-Luengo, A., Sakurai, M., Sugawara, A., Gil, M.A., Yamauchi, T., Suzuki, K., Bogliotti, Y.S., Cuello, C., Morales Valencia, M., et al. (2017). Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell 168, 473-486 e415.
Yamaguchi, T., Sato, H., Kato-Itoh, M., Goto, T., Hara, H., Sanbo, M., Mizuno, N., Kobayashi, T., Yanagida, A., Umino, A., et al. (2017). Interspecies organogenesis generates autologous functional islets. Nature 542, 191-196.
Yang, Y., Liu, B., Xu, J., Wang, J., Wu, J., Shi, C., Xu, Y., Dong, J., Wang, C., Lai, W., et al. (2017). Derivation of Pluripotent Stem Cells with In Vivo Embryonic and Extraembryonic Potency. Cell 169, 243-257 e225.
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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