iPS技术创造历史！《Nature》2023年度重要科学事件，“孤雄生殖”入选

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2023年，科学界依然在书写着各种传奇。凭借着诱导多能干细胞技术，日本制造了人类历史上第一例“孤雄生殖”，而在Chatgpt引领的AI狂潮中，美国科学家“另辟蹊径”，试图利用类器官智能（OI）开启新的科技时代，这些故事拼凑成了2023，也让我们对未来医疗的走向越发期待。

12月14日，国际顶刊《Nature》延续十几年的老传统，发布了年度榜单Nature’s 10。

从带印度上月球的总设计师，到协助亚马逊控制猖獗的森林砍伐行为的巴西环境与气候变化部长，再到榜单成立以来首个非人类—ChatGPT入选，10人的故事与一个工具人“AI”浓缩着2023年科学界的重要进展。

△十几年来，每年年末《Nature》都会发布Nature's 10,以探讨过去一年科学领域的关键发展

而在所有令人惊叹的事情里，有一件算得上是“开天辟地”。

它发生在2023年初，日本大阪大学的研究室里诞生了7只小鼠，经过检测，它们健康、具备正常的生育功能，一切都与普通小鼠没什么两样，但听到消息的生殖生物学家Robert Gilchrist却从椅子上跌了下来。

△2023年3月8日，林克彦教授在第三届人类基因组编辑国际峰会上宣布，他们使用雄性小鼠的细胞培育出了卵子，从而使两只雄性老鼠“产”下了后代

因为在生物学意义上，这群小鼠没有母亲，而是拥有两个父亲，是货真价实的孤雄繁殖的产物。

它打破了千年来，“生命的开端始于雌雄结合”的自然常识，引发了医学界的强震，试验的缔造者——日本发育生物学家林克彦（Katsuhiko Hayashi）也在论文中揭示了该实验背后的技术秘密：诱导性多能干细胞技术。

01

雄雄生殖

iPS技术或能拯救濒危物种

长期以来，“长生不老”就像海市蜃楼一样虚无缥缈，但在2006年，一位名叫山中伸弥的日本科学家探得了一条新路径。

他发现在四个神奇转录因子（OCT3/4、SOX2、KLF4和c-MYC）的作用下，成熟的成体细胞能退回到原始的干细胞状态，在细胞层面上实现了“返老还童”。这项技术后被命名为诱导多能干细胞（iPSC）技术，所产生的细胞也被称为iPS细胞。

iPS细胞拥有着极强的分化潜能，林克彦及其同事基于这项技术，多年来一直致力于完成一件不被其他研究者看好的任务——将雄性小鼠的细胞诱导为卵细胞。

△日本大阪大学教授林克彦，图片来源：Kosuke Arakawa for Nature

具体该怎么做呢？据《Nature》杂志透露：研究者们先从雄性小鼠的尾部取出了正常细胞，并将它们转化成iPS细胞，这个过程中大约有3%的细胞会自发地丢失Y染色体——正是林克彦团队的目标细胞。

△试验过程图解

他们会将这些缺失Y染色体且拥有一条X染色的细胞分离出来，通过逆转素（Reversine）抑制细胞分裂的一个关键检查点去完成X染色体的复制，随后得到拥有XX染色体的“雌性细胞”。在下一步的实验里，它们会被进一步制造成有活力的卵细胞。

最终，团队对这些卵细胞进行了体外受精，并将产生的630个胚胎移植到雌性小鼠的子宫中，有7只明显健康的小鼠降生，存活率约为1.1%，据林克彦称：这些小鼠非常健康，且拥有生育能力。

林克彦团队开发的这一套方法有望为一些由性染色体引起的不孕不育（如特纳氏综合征）提供新的治疗途径，还有望将人类生殖带入新的领域。

“这是惊人的科学成就。”生殖生物学家Robert Gilchrist赞道，英国剑桥大学发育生物学家Azim Surani也称赞林克彦的工作非常具有独创性。

但林克彦并没有迷失在这些赞美中，他对自己所取得的成就非常保守：“实际上，这并不难。”

现在，他的实验室正试图将这项研究从小鼠扩展到另一种动物——北部白犀牛（Ceratotherium simum cottoni）。这是一种濒临灭绝的物种，全球已知范围内只剩下两只，还都是雌性。

△2018年3月19日，世界上最后一头雄性北方白犀牛“苏丹”在肯尼亚去世，北部白犀牛走到了灭绝的边缘

林克彦的方法或许能够拯救这些濒临灭绝的物种，不过他也承认：与小鼠相比，在实验室中培育犀牛的精子和卵子会困难得多。

处理人类生殖细胞的难度可能又处在另一个层级上，同时伦理审查也是该研究的一大挑战，对此林克彦并不想过多谈论：“科学家的角度相对简单，我们只努力产生高质量的卵子，”他说，“但是否应该使用这些卵子不是我们决定的。这个决定应该由社会来做。”

02

从AI到OI

科技医疗的未来会在哪里？

在今年的榜单中，还有一位既非人类，也不完全满足入选条件的“破例者”——ChatGPT。

2023年，Chatgpt向世人展现了前所未有的能力——文能写文章，武能改Bug，甚至可以模拟人类的想象力，这种独一无二的智能涌现能力在全球范围内引发了一场“AI狂潮”。很快，这场风也吹向了与人类息息相关的医疗领域。

医疗问诊、辅助诊断、医疗数字化营销、亦或是帮助研发者们迅速筛选有潜力的药物分子、预测药物的副作用和药物代谢等作用，生成式AI为医疗界描绘了一幅幅灿烂的蓝图。

不过，AI只是科技革命的一个缩影。在与我们隔海相望的南半球，澳大利亚科学家Brett Kagan提出“神经元才是广义智能的起点”。我们能否把神经元作为网络基本单元，去复刻一个和人脑类似的智能系统？这个科学假想也被命名为“类器官智能”（Organoid Intelligence，OI）。

△“类器官智能”路线图

今年，约翰斯·霍普金斯大学的Thomas Hartung科研团队提出以大脑类器官为“生物硬件”，通过与外部的电子设备相连，以构建生物计算机。在Hartung教授的设想里，这种生物计算机可以突破AI和硅基计算的“瓶颈”。

首先它非常节能，要知道，我们的大脑非常善于处理复杂问题，在处理同等问题时，目前最强算力的超级计算机“Frontier”耗能21兆瓦，相较而言，人脑消耗20瓦，是超算的100万分之一；

△美国超级计算机Frontier（造价6亿美元、重达3629公斤、占地 680 平方米）以21兆瓦的功耗在LINPACK 基准测试中达到了1.102 exaFlops的峰值计算性能，即每秒完成一百亿亿次浮点运算，其能效已经超越同类超级计算机，但还是无法完全超越人脑

其次是学习能力强，人类学习辨别“同与不同”只要10个样本，但机器人的学习量需要达到百万以上；

最后是存储空间大，大脑约有2500TB的存储容量，这也是当前硅基计算机无法企及的。

也就是说，这或是一个在能耗、计算速度、信息处理能力、数据效率、存储能力等多方面全面碾压硅基计算的生物智能计算机。

Hartung教授认为OI主要有三个应用领域：基础神经科学领域、毒理学和药理学领域与计算。如果能够实现，或将推动人类社会进入一轮更快速、更强大、更高效、更节能的划时代革命中。

目前，OI已经有了成功的雏形，Brett Kagan利用iPSC诱导分化成皮质神经元细胞，这些细胞经过分裂形成了一个具有80万脑细胞规模的培养物。短短5分钟，这群细胞培养物就掌握了“打乒乓”的游戏规则。

不过研究者也坦言，OI想要超越AI还有很长一段时间要走。我们何时能进入OI时代，或者说，OI时代最终能为我们带来什么，让我们拭目以待。

△类器官智能的雏形已经掌握了游戏规则，开始打乒乓球

总结来看，从“天方夜谭”的孤雄生殖到引发世界狂潮的AI，再到承载着更大期许的OI，其实我们很难准确预言，科技的迭代与更新会让未来医疗呈现出怎样的图景，但毫无疑问的是，这种改变必将重组人类的生活，并引领我们去往更好的未来。

Write in the last

写在最后

我们正处于科技巨变的时代，几乎每一年，都会涌现重要的里程碑，而随着全球科技工作者的共同努力，医疗领域的颠覆也将变得更加值得期待。

部分图片来自网络，侵删 

参考资料：

[1]https://www.nature.com/immersive/d41586-023-03919-1/index.html

来源：华夏源干细胞

排版：暖手  

本文亦不构成任何医疗建议。

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