異種再造或為人類器官移植帶來曙光

科普時報記者 羅朝淑 史詩

近日，中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院的科研人員成功制造出包含人細胞和豬細胞的嵌合胚胎，將其移植到代孕母豬體內(nèi)28天后，發(fā)育中的人源腎臟結(jié)構(gòu)和腎小管形成正常。這意味著我國科學(xué)家首次在另一個物種體內(nèi)成功培育出人源實質(zhì)器官。9月7日，相關(guān)論文刊登在《細胞—干細胞》上。

異體器官移植是替代器官功能的有效途徑，但器官供體短缺一直是世界各國面臨的難題。

“通過基于干細胞的器官異種動物體內(nèi)培育獲得的人源化器官，不僅將具有更全面的細胞類型和更完善的器官結(jié)構(gòu)與功能，而且由于供體細胞來源于患者自體，能有效避免異種器官或同種異體器官移植中存在的免疫排斥等問題。”論文通訊作者、中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院研究員賴良學(xué)告訴科普時報記者。

人源化器官體內(nèi)再生困難重重

“選擇腎臟作為移植器官，是因為腎臟是最早出現(xiàn)在胚胎發(fā)生過程中的器官之一，也是人類醫(yī)學(xué)中最常見的移植器官?！辟嚵紝W(xué)說，借助豬作為載體來解決器官短缺問題，是因為豬的體型、器官大小、器官形態(tài)、生殖周期都比較接近于人，是生成人類器官的良好“孵化器”。

將人類干細胞成功整合到豬的胚胎并順利發(fā)育，并非易事。賴良學(xué)介紹，在此前的研究中，科學(xué)家曾利用胚胎與多能干細胞互補，產(chǎn)生具有人類組織的大型哺乳動物可存活的種間嵌合體，成功地在小鼠和大鼠之間生成了胰腺、胸腺和腎臟等器官。然而，由于豬細胞比人細胞更具競爭力，且豬和人的妊娠期不同，二者的器官在體內(nèi)發(fā)育至成熟的時間相差較大，迄今為止尚未通過這種方式在豬的體內(nèi)產(chǎn)生人類的實質(zhì)器官。

一直以來，人源化器官體內(nèi)再生存在著很多難點。比如，如何獲得具有高分化的潛能人干細胞，使其在豬體內(nèi)分化成想要的器官；干細胞需要更高的生存競爭力，才能在異種環(huán)境中活下來并繼續(xù)分化；怎樣去除豬的相關(guān)器官，為人體器官騰出空間；人豬嵌合的技術(shù)并不完善等諸多技術(shù)障礙。

三次改造成功培育嵌合體

為了克服這些難題，賴良學(xué)團隊直面種種挑戰(zhàn)，通過3個步驟實施了“改造工程”。首先，利用CRISPR技術(shù)（一種基因編輯技術(shù)）改造了單細胞豬胚胎，使其缺失腎臟發(fā)育所需的兩個基因，從而在豬胚胎中創(chuàng)造出一個空位，使人細胞不必與豬細胞競爭；其次，研究人員改造了人類多能干細胞，并將其培養(yǎng)成類似于早期人類胚胎細胞的“天然”細胞；最后，對人豬嵌合技術(shù)進行深度優(yōu)化，將人干細胞注射入豬早期胚胎后，成功培養(yǎng)出了人細胞和豬細胞的嵌合體。

“我們將1820個嵌合胚胎分別移植給了13頭母豬，并嚴格遵守相關(guān)倫理規(guī)定以及國際慣例，在25天或28天后終止妊娠并提取出這些胚胎，以評估在豬的體內(nèi)是否成功產(chǎn)生了人源腎臟?！辟嚵紝W(xué)解釋說，在提取的5個成功實現(xiàn)人細胞和豬細胞嵌合的胚胎中，它們具有與發(fā)育階段對應(yīng)、結(jié)構(gòu)正常的腎臟，其中50%到60%的腎臟細胞都是人類細胞。

在豬體內(nèi)培育人類器官尚需數(shù)年

在賴良學(xué)看來，這項技術(shù)可用于研究人體器官在體內(nèi)的正常發(fā)育過程和發(fā)育性疾病，未來經(jīng)過進一步優(yōu)化，或許還能用于人體器官移植。不過，無論是技術(shù)還是倫理方面，都還有很漫長的路要走。比如，這次研究中的腎臟仍然帶有豬血管，因為人類的血管會被懷孕母豬的免疫系統(tǒng)排斥。要克服這個問題，需要更加復(fù)雜的基因工程，才能使腎臟適合移植給人類。目前的研究還發(fā)現(xiàn)，有極少量人類細胞進入了小豬胚胎的大腦和脊髓，若進一步開展實驗，這樣的胚胎或許可能發(fā)育成擁有部分人類大腦的活體小豬，從而引起倫理方面的討論。

“未來，我們會圍繞異種嵌合進行研究，使人器官在豬體內(nèi)能夠生長更長的時間，功能結(jié)構(gòu)也趨于成熟。除腎臟外，還要挑戰(zhàn)心臟、肝臟和胰臟等其他器官在豬體內(nèi)的異種再造。”