人豬嵌合胚胎帶來的希望

美國、西班牙的研究人員利用人的皮膚組織誘導(dǎo)生成多能干細(xì)胞，將它們移植到豬的早期胚胎，成功培育出一批人豬嵌合胚胎。這是科學(xué)界第一次證明人類細(xì)胞能在豬胚胎中存活，它使得科學(xué)家利用豬的身體生產(chǎn)出人類器官的夢想向現(xiàn)實又靠近了一步。

南方周末特約撰稿 湯波

對于那些遭遇致命器官病變的患者來說，器官移植已成為他們重獲新生的唯一希望，但是全球性器官嚴(yán)重短缺，又讓希望變成絕望。2017年1月26日，美國和西班牙科研小組在國際著名學(xué)術(shù)刊物《細(xì)胞》上公布了一項人豬嵌合胚胎的開創(chuàng)性研究成果，使得科學(xué)家利用豬的身體生產(chǎn)出人類器官的夢想又向現(xiàn)實靠近了一步，有望解決這一國際性難題。

人豬嵌合胚胎培育成功

自上世紀(jì)50年代人類首次成功實施器官移植手術(shù)以來，器官移植手術(shù)已成為挽救器官病變患者的主要手段，常見的移植器官包括腎、心、肝、肺和胰腺等。據(jù)世界衛(wèi)生組織報告顯示，全球每年實施的器官移植超過11萬例。由于醫(yī)療技術(shù)先進(jìn)和國民器官捐獻(xiàn)率較高，美國是實施器官移植最多的國家之一，過去25年，美國實施的實體器官移植數(shù)量超過60萬例。中國每年實施的器官移植手術(shù)則只有1萬例左右，卻有100多萬病人在苦苦等待器官供體。顯然，絕大多數(shù)病人只能痛苦地接受沒有可供移植的器官供體的現(xiàn)實，器官供體嚴(yán)重短缺也已成為國際性難題。

大多數(shù)國家的器官移植主要依靠志愿者捐獻(xiàn)，但是受宗教、傳統(tǒng)觀念等多種因素影響，志愿者捐獻(xiàn)的器官數(shù)量難以滿足巨大的臨床需求，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)向了動物身上。由于豬的器官大小、生理結(jié)構(gòu)、代謝特性與人的較為接近，而且豬飼養(yǎng)方便，生長快速，已經(jīng)成為異種器官移植的理想供體，而將人多能干細(xì)胞移植到豬的早期胚胎，制作成人豬嵌合胚胎，希望能在豬身上長出人類器官，以供人類器官移植，則是異種器官移植研究領(lǐng)域的最新方向。

2017年1月26日，美國《細(xì)胞》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于人與動物嵌合胚胎的研究論文。該項研究由美國索爾克生物研究所牽頭，西班牙穆爾西亞大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)參與，華人科學(xué)家吳軍博士是該論文的第一作者。這篇論文之所以引起媒體和公眾的廣泛關(guān)注，是因為該研究在國際上首次實現(xiàn)了人多能干細(xì)胞與豬早期胚胎成功嵌合，重新燃起異種器官移植的希望。

吳軍等人首先在實驗室利用人的皮膚組織誘導(dǎo)生成人多能干細(xì)胞，理論上這種多能干細(xì)胞在一定條件下可以分化成任何人體細(xì)胞，包括心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等，研究人員將這些誘導(dǎo)多能干細(xì)胞移植到豬的早期胚胎，成功培育出一批人豬嵌合胚胎，這些胚胎在代孕母豬子宮內(nèi)發(fā)育了3到4周時間，這相當(dāng)于人類懷孕8到10周。與普通胚胎相比，這些嵌合胚胎在母豬體內(nèi)的發(fā)育情況沒有顯著差異。由于擔(dān)心倫理爭議，研究人員提前終止了妊娠。

研究人員在這些人豬嵌合胚胎中檢測到了不同程度的嵌合，不過人細(xì)胞在豬胚胎中的嵌合率非常之低，估計每萬個豬細(xì)胞中僅有1個人類細(xì)胞，低于大鼠多能干細(xì)胞在小鼠胚胎中的嵌合率，一方面顯示人和豬之間的進(jìn)化距離要大于大鼠和小鼠，另一方面也可能因為研究人員并沒有對豬胚胎進(jìn)行基因編輯，從而形成器官“空位”以供人的多能干細(xì)胞來填補(bǔ)。

這一探索性研究是國際上第一次證明人類細(xì)胞能在豬胚胎中存活，不過并沒有觀察到這些人類細(xì)胞是否能在人豬嵌合胚胎中發(fā)育成人類器官。在同一篇論文中，研究人員還建立了嚙齒動物模型，驗證了異種培育的嵌合器官能在體內(nèi)正常發(fā)育，并發(fā)揮正常生理功能。

異種培育器官功能正常

在培育人豬嵌合胚胎之前，美國索爾克生物研究所研究人員首先建立大鼠與小鼠嵌合胚胎模型，以驗證其研究思路的可行性，他們利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，敲除掉小鼠受精卵中一些決定器官生成的關(guān)鍵基因，使得這些小鼠的胰臟、心臟和眼睛等器官不能正常發(fā)育，形成了器官“空位”，然后將大鼠的多能干細(xì)胞注射到上述經(jīng)基因編輯的小鼠胚胎中，構(gòu)建成小鼠與大鼠嵌合胚胎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些嵌合胚胎能在小鼠子宮內(nèi)正常生長發(fā)育，出生后能健康生活兩年以上，相當(dāng)于人類壽命的60歲左右。更令人驚喜的是，盡管控制小鼠胰臟和眼睛等器官發(fā)育的基因被敲除，但這些嵌合小鼠在大鼠多能干細(xì)胞的幫助下，成功發(fā)育出新的嵌合胰臟和眼睛等器官，并能在小鼠體內(nèi)發(fā)揮正常生理功能。

就在上述論文在《細(xì)胞》上發(fā)表的前一天，英國著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志也在線發(fā)表了日本科學(xué)家的類似研究成果。日本東京大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員采用與吳軍等人類似的技術(shù)路線，就如同事前達(dá)成默契一樣，日本科學(xué)家將大鼠和小鼠進(jìn)行了對調(diào)，他們利用基因編輯技術(shù)將控制大鼠胰臟發(fā)育的基因敲除，再將小鼠多能干細(xì)胞移植到大鼠早期胚胎中，培育出大鼠與小鼠嵌合胚胎，結(jié)果，新生大鼠長出了含有小鼠細(xì)胞的嵌合胰臟，大小與大鼠胰臟差不多。

比美國科學(xué)家的研究更加深入的是，日本研究人員從這種嵌合胰臟中分離出能正常分泌胰島素的胰島組織，并移植到患糖尿病的小鼠體內(nèi)后，成功控制了小鼠的血糖水平，1年后小鼠的血糖值依然維持在正常水平。

上述兩項研究表明，利用多能干細(xì)胞嵌合胚胎實現(xiàn)異種器官大規(guī)模生產(chǎn)的科學(xué)幻想有可能成為現(xiàn)實，科學(xué)家下一步將在豬等大動物身上開展類似研究，以進(jìn)一步確證利用豬的身體生產(chǎn)可供移植人類嵌合器官的可行性。

通過這些研究，科學(xué)家們最終希望，能從那些需要器官移植的病人采集皮膚細(xì)胞，再誘導(dǎo)產(chǎn)生多能干細(xì)胞，進(jìn)而培育成人豬嵌合胚胎，在豬等動物體內(nèi)生產(chǎn)出含有功能性人類細(xì)胞或組織的嵌合器官，最后將這些嵌合器官移植到病人體內(nèi)，以減輕或消除異種器官移植所面臨的最大障礙——免疫排斥反應(yīng)。

豬器官人源化也已開展

早在一百多年前，就有人嘗試將豬的器官直接移植到病人體內(nèi)，但均以失敗告終。原來人體與其它動物一樣，在漫長的進(jìn)化過程中，形成了一套識別和清除外來組織器官的保護(hù)機(jī)制，即免疫排斥。一旦有外來組織器官進(jìn)入，動物體就會啟動免疫排斥反應(yīng)，識別出外來的細(xì)胞、組織或器官，并啟動清除程序，嚴(yán)重時，幾分鐘或數(shù)小時內(nèi)就會讓外來組織器官失活壞死，即超急性排斥反應(yīng)，是異種器官移植面臨的最主要障礙之一。

即使沒有被超急性排斥反應(yīng)所破壞，異種器官還將面臨急性血管性排斥反應(yīng)、細(xì)胞排斥反應(yīng)等的多重考驗，相繼將出現(xiàn)血栓血塞、血管內(nèi)皮細(xì)胞壞死等障礙，而被植入的異種器官最終似乎難逃被掃地出門的命運(yùn)，連帶受試病人也不得不為自己的頑固排他行為付出慘痛代價。

因此，異種器官移植要獲得成功，必須解決免疫排斥反應(yīng)。除了上述利用人豬嵌合胚胎直接培育“人類”器官，國際上還有另外一個重要的研究方向，即通過基因改造，將豬器官“偽裝”成人類的器官，人的免疫系統(tǒng)無法對這些人源化的豬器官發(fā)動攻擊。

當(dāng)然要騙過人類的免疫系統(tǒng)并不是一件容易的事情，首先要將豬細(xì)胞表面特有的抗原成分去除，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，除了人類和其它靈長類動物之外，絕大多數(shù)哺乳動物的細(xì)胞表面都存在一種由α-1,3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶催化產(chǎn)生的抗原表位，靈長類動物體內(nèi)天然存在的抗體能特異識別這種抗原表位，是引起超急性免疫排斥反應(yīng)的主要原因，如果能將調(diào)控該酶表達(dá)的基因去掉，豬器官表面則不會形成特異抗原表位；其次，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，讓豬的器官上皮細(xì)胞表達(dá)一些人的補(bǔ)體調(diào)節(jié)蛋白，將豬的器官人源化，人和其他靈長類動物則會誤認(rèn)為是同類的器官，也可以避免或減輕超急性排斥反應(yīng)。

2016年4月，美國國立衛(wèi)生研究院心胸外科研究項目團(tuán)隊在《自然-通訊》上公布了令人振奮的研究成果，該團(tuán)隊早在3年前就培育出一種攜帶人膜輔蛋白基因和人血栓調(diào)節(jié)蛋白基因，同時α-1,3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因敲除的基因工程豬，研究人員取出上述基因工程豬的心臟，移植到五只狒狒體內(nèi)，借助一些抗排斥藥物，豬的心臟在五只狒狒體內(nèi)平均存活298天，最長移植存活時間達(dá)945天，創(chuàng)造了最長的異種器官存活紀(jì)錄。不過該項研究主要為了研究異種器官排斥反應(yīng)的機(jī)制和抗排斥藥物的功效，研究人員并沒有取出狒狒自身的心臟。該團(tuán)隊下一步計劃將直接用豬心替代狒狒自己的心臟，以了解狒狒僅依靠豬心能活多長時間。

爭議和希望

無論是人豬嵌合器官，還是人源化豬器官，一旦在關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)突破，不僅能大規(guī)模生產(chǎn)可供移植的器官移植短缺問題，還能利用基因工程技術(shù)，針對病人訂制免疫排斥反應(yīng)小的異種器官，這是人體捐獻(xiàn)器官都無法比擬的優(yōu)勢。

不過，這些前沿科技，對大多數(shù)民眾來說，似乎只是神話故事或科幻小說里才有的情節(jié)。因此，這些異種器官培育和移植在公眾和管理層里還存在較大的倫理爭議。

有人擔(dān)心這些嵌合豬會不會越來越接近于人類，甚至擁有人類的思維與意識。不過從事異種器官移植研究的科學(xué)家們認(rèn)為這種情況發(fā)生的概率幾乎為零，因為這些異種器官只含有少量的人類細(xì)胞或少數(shù)幾個人類基因，而且科學(xué)家可以對人多能干細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，以分化成所需要的組織器官，同時也可限制其向神經(jīng)系統(tǒng)或生殖系統(tǒng)分化。當(dāng)然科學(xué)家們也非常謹(jǐn)慎，正如美國明尼蘇達(dá)大學(xué)神經(jīng)外科專家沃爾特·洛教授對英國BBC所說，“我們會仔細(xì)監(jiān)控每一個嵌合胚胎，如果發(fā)現(xiàn)其比較接近人類，我們將馬上終止妊娠?！甭褰淌趫F(tuán)隊正在嘗試?yán)萌素i嵌合胚胎，生產(chǎn)人類神經(jīng)元，以治療帕金森等神經(jīng)疾病。

另一些人則擔(dān)心這些異種器官移植會將豬的病毒傳播到人身上，特別是一些潛伏在豬基因組中的逆轉(zhuǎn)錄病毒。雖然科學(xué)家們至今并沒有觀測到豬逆轉(zhuǎn)錄病毒感染人的案例，但是鑒于艾滋病病毒的危害，這一擔(dān)心實際上已成為異種器官移植難以臨床應(yīng)用的重要障礙之一。

不過到2015年10月，美國哈佛大學(xué)研究人員利用基因編輯技術(shù)解決了這一問題。來自中國的楊璐菡博士等人根據(jù)豬的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因序列，設(shè)計了一種特殊的CRISPR-Cas9“基因剪刀”，成功將豬腎上皮細(xì)胞基因組中全部62個的內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒基因剪切失活，隨后研究人員將基因編輯后的豬細(xì)胞和人細(xì)胞在一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)豬病毒的侵染率只是未經(jīng)基因編輯豬細(xì)胞的千分之一。這是國際上首次在全基因組實現(xiàn)內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因的編輯剪切，無疑也是異種器官移植領(lǐng)域的里程碑成果，難怪該成果在美國《科學(xué)》雜志發(fā)表后，很多頂級科學(xué)家和媒體紛紛表示，這項研究有望重新開啟異種器官移植研究的黃金時代。

基于這些擔(dān)心和倫理爭議，各國政府也對人體嵌合胚胎研究表明態(tài)度。法國、日本、德國等國家立法禁止對人類胚胎進(jìn)行嵌合研究，即禁止將動物干細(xì)胞引入人類胚胎中，但是對進(jìn)行人干細(xì)胞與動物胚胎的嵌合研究則沒有明確規(guī)定。美國沒有法律禁止此類研究，但是國立衛(wèi)生研究院（NIH）2015年9月曾表示將不資助人與動物嵌合研究，美國索爾克生物研究所的人豬嵌合胚胎研究就曾受到影響，不過一年以后，經(jīng)過與科學(xué)家們、倫理學(xué)家等研討，NIH的態(tài)度近期發(fā)生了轉(zhuǎn)變，將對此類研究申請進(jìn)行個案分析。

由于市場需求巨大，盡管政府的支持態(tài)度不太明朗，但是風(fēng)險資本對此似乎表現(xiàn)出較大的興趣。2014年5月，美國聯(lián)合治療集團(tuán)旗下Lung生物技術(shù)公司計劃投資5000萬美元開展人源化豬器官研究，其旗下的Revivicor公司則正在北卡羅來納州建設(shè)世界最大的異種器官工廠，計劃每年生產(chǎn)1000個以上的器官。

顯然，異種器官移植離真正臨床應(yīng)用還為時尚早。除了諸多技術(shù)難題尚待解決之外，這些異種器官培育和移植還存在較大的倫理爭議，科學(xué)家們應(yīng)該充分考慮公眾對這些前沿技術(shù)的擔(dān)憂和顧慮，謹(jǐn)慎開展相關(guān)研究，在解決所有技術(shù)難題和確保安全之前，不應(yīng)貿(mào)然開展異種器官移植的臨床應(yīng)用。