從神話到現(xiàn)實(shí)的人獸嵌合體

湯波

在神話故事中，半人半獸的形象屢見(jiàn)不鮮，比如希臘神話中半人半魚(yú)的海神波塞冬、埃及的獅身人面像和中國(guó)神話中的孫悟空、豬八戒等等，無(wú)一不體現(xiàn)了人類(lèi)祖先豐富的想象力。在現(xiàn)實(shí)中，絕大多數(shù)不同物種之間存在不可逾越的生殖藩籬，人類(lèi)和動(dòng)物不能合二為一，這是基本常識(shí)。不過(guò)，在實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們正在利用干細(xì)胞技術(shù)，試圖打破不同動(dòng)物、人類(lèi)與動(dòng)物之間的物種隔離，培育出融合不同動(dòng)物細(xì)胞的嵌合胚胎或嵌合動(dòng)物，甚至包括人猴嵌合體和人豬嵌合體。

人獸嵌合體創(chuàng)造并不容易

嵌合體，又稱(chēng)嵌合動(dòng)物，是包含2種或更多種具有不同遺傳背景細(xì)胞的動(dòng)物。顧名思義，人獸嵌合體則是既含有人的細(xì)胞，又含有動(dòng)物的細(xì)胞的嵌合體。不過(guò)，并非所有細(xì)胞都能夠相互融合發(fā)育成嵌合體，一般只有生殖細(xì)胞和干細(xì)胞才具有這一能力，其中干細(xì)胞產(chǎn)生的嵌合體是科學(xué)家研究的重點(diǎn)，因?yàn)楦杉?xì)胞是一種能自我更新并分化為其他細(xì)胞的特殊細(xì)胞。那么有沒(méi)有一種干細(xì)胞能分化成動(dòng)物體的所有細(xì)胞呢？1981年，英國(guó)生物學(xué)家馬丁·埃文斯和馬修·考夫曼從小鼠的早期胚胎中分離出一種新的干細(xì)胞，它們能分化出機(jī)體的200多種不同細(xì)胞，幾乎涵蓋小鼠體內(nèi)所有的細(xì)胞類(lèi)型，這種干細(xì)胞就是“胚胎干細(xì)胞”。很快，胚胎干細(xì)胞成為發(fā)育生物學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)工具。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，胚胎干細(xì)胞展現(xiàn)出一些令人興奮的醫(yī)學(xué)用途，比如某些患者的神經(jīng)細(xì)胞受損，通過(guò)胚胎干細(xì)胞的移植治療可以重新生長(zhǎng)出正常的神經(jīng)細(xì)胞，以修復(fù)某些神經(jīng)系統(tǒng)的疾病，當(dāng)然這需要找到人類(lèi)的胚胎干細(xì)胞才行。但是，人類(lèi)的胚胎干細(xì)胞并不好找，它在早期胚胎中存在時(shí)間極短。小鼠胚胎干細(xì)胞被分離出來(lái)之后，全世界的科學(xué)家就開(kāi)始了尋找人類(lèi)胚胎干細(xì)胞的競(jìng)賽，其中美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的詹姆斯·湯姆遜等科學(xué)家拔得頭籌。1998年，詹姆斯·湯姆遜等人首次從遺棄的人類(lèi)胚胎中分離出胚胎干細(xì)胞。人類(lèi)的胚胎干細(xì)胞很快受到科學(xué)家的追捧，大家競(jìng)相利用胚胎干細(xì)胞開(kāi)展再生醫(yī)學(xué)等方面的研究和應(yīng)用。不過(guò)，人類(lèi)胚胎干細(xì)胞的醫(yī)療應(yīng)用遇到了一個(gè)重大難題：因?yàn)橐@得人類(lèi)胚胎干細(xì)胞，首先得利用精子和卵子結(jié)合形成受精卵并發(fā)育成胚胎，而要從這些胚胎中分離出胚胎干細(xì)胞，則需要將胚胎毀壞。這在一些人（特別是有宗教信仰的人）眼中無(wú)異于“殺人”，人類(lèi)胚胎干細(xì)胞的醫(yī)療應(yīng)用因而面臨著巨大的倫理爭(zhēng)議。

人猴嵌合胚胎

不過(guò)，科學(xué)問(wèn)題總有科學(xué)的解決之道。2006年，日本生物學(xué)家山中伸彌等人巧妙地把4個(gè)基因轉(zhuǎn)入成年小鼠的一種皮膚細(xì)胞中，這些轉(zhuǎn)基因細(xì)胞竟然奇跡般地轉(zhuǎn)變成與胚胎干細(xì)胞功能類(lèi)似的干細(xì)胞——具有持久的自我更新能力和廣泛的分化能力，這就是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS）。值得一提的是，這項(xiàng)研究得益于英國(guó)發(fā)育學(xué)家約翰·格登的貢獻(xiàn)，他在20世紀(jì)50年代末培育出第一個(gè)體細(xì)胞克隆動(dòng)物——非洲爪蟾，證明體細(xì)胞也具有全能性，即發(fā)育成個(gè)體的能力。山中伸彌等人的發(fā)現(xiàn)，很好地消除了胚胎干細(xì)胞面臨的主要倫理爭(zhēng)議。如果一些患者需要新的細(xì)胞治病，醫(yī)生們只需要從他的皮膚組織中采集一些體細(xì)胞，培育出誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，再將其分化成所需的各類(lèi)細(xì)胞，即可避免救人先“殺人”的倫理陷阱。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的出現(xiàn)，極大地拓展了干細(xì)胞在再生醫(yī)學(xué)、發(fā)育基礎(chǔ)研究和新藥驗(yàn)證等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，造就了很多熱門(mén)研究領(lǐng)域——人獸嵌合體正是其中之一。

異種器官移植的新希望

2019年8月初，美國(guó)索爾克生物研究所貝爾蒙特教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，將人類(lèi)的干細(xì)胞注射到猴子早期胚胎內(nèi)，首次培育出人猴嵌合胚胎。研究人員主要希望將這種嵌合胚胎用于研究一些發(fā)育學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題，比如人類(lèi)的干細(xì)胞能否在猴子胚胎中正常發(fā)育，能否形成人猴嵌合組織或器官以進(jìn)行異種器官移植。這引起一些人的不安，它們擔(dān)心人猴嵌合體會(huì)進(jìn)化成反擊人類(lèi)的超級(jí)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物。好在這種人猴嵌合胚胎隨即被銷(xiāo)毀，只在實(shí)驗(yàn)室里存活了不到2周時(shí)間。另外，該研究結(jié)果尚沒(méi)有發(fā)表在國(guó)際同行認(rèn)可的學(xué)術(shù)期刊上，其真實(shí)性還有待進(jìn)一步證實(shí)。

不過(guò)，這并不是貝爾蒙特教授團(tuán)隊(duì)首次培育出人獸嵌合胚胎。早在2017年初，他領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)就在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上公布首次培育出人豬嵌合胚胎。

這項(xiàng)研究直指異種器官移植領(lǐng)域。器官短缺是全球性問(wèn)題，只有5%～10%需要器官移植的患者能夠幸運(yùn)地獲得器官供體。因此，科學(xué)家希望求助于動(dòng)物器官，他們認(rèn)為豬的器官的結(jié)構(gòu)、功能和代謝特點(diǎn)不僅與人類(lèi)非常相似，而且豬生長(zhǎng)快、易繁殖、飼養(yǎng)成本低，是異種器官移植的理想供體。美國(guó)、德國(guó)、日本和中國(guó)等國(guó)的科學(xué)家紛紛用轉(zhuǎn)基因和基因編輯等基因修飾技術(shù)改造豬的細(xì)胞，以將其改造得盡量與人體細(xì)胞相似，避免器官移植后致命的免疫排斥反應(yīng)，再通過(guò)體細(xì)胞克隆技術(shù)讓克隆豬生長(zhǎng)出可供人類(lèi)移植的器官。

同樣是解決免疫排斥問(wèn)題，貝爾蒙特教授團(tuán)隊(duì)則希望另辟蹊徑。他們按照山中伸彌的方法，首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將人類(lèi)的皮膚細(xì)胞誘導(dǎo)出多能干細(xì)胞——理論上這種誘導(dǎo)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)胞和神經(jīng)細(xì)胞等——然后將這些誘導(dǎo)多能干細(xì)胞移植到豬的早期胚胎中，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3～4周時(shí)間，這相當(dāng)于人類(lèi)懷孕8～10周。與普通胚胎相比，這些嵌合胚胎在母豬體內(nèi)的發(fā)育情況并無(wú)顯著差異。由于擔(dān)心倫理爭(zhēng)議，研究人員提前終止了代孕母豬的妊娠。

貝爾蒙特團(tuán)隊(duì)在這些人豬嵌合胚胎中的確檢測(cè)到了不同程度的人豬細(xì)胞嵌合，但是人類(lèi)細(xì)胞在豬胚胎中的嵌合率非常之低，估計(jì)每萬(wàn)個(gè)豬細(xì)胞中僅有1個(gè)人類(lèi)細(xì)胞。研究人員推測(cè)，人豬細(xì)胞嵌合率太低的原因，可能是因?yàn)槿祟?lèi)和豬之間的進(jìn)化距離太遠(yuǎn)，比如人類(lèi)和豬的進(jìn)化距離大約為1億年，而人與猴子、大鼠與小鼠的進(jìn)化距離僅為2000萬(wàn)年左右。也就是說(shuō)，人類(lèi)和豬之間存在巨大的物種隔閡，豬胚胎并不愿意接納人類(lèi)細(xì)胞一起共存。

或許正是這一原因，貝爾蒙特教授才希望利用人猴嵌合胚胎作進(jìn)一步的研究，以此解決人類(lèi)干細(xì)胞在其他動(dòng)物胚胎中的發(fā)育障礙，最終實(shí)現(xiàn)人豬嵌合胚胎的臨床應(yīng)用。不過(guò)不是沒(méi)有另一種更靠譜的解決方案，那就是基因編輯，這一方案的可行性已被大鼠和小鼠嵌合體研究充分證實(shí)。

并非異想天開(kāi)

美國(guó)索爾克生物研究所的研究人員在培育人豬嵌合胚胎之前，首先建立了大鼠與小鼠嵌合胚胎模型，已驗(yàn)證了其研究思路的可行性。他們利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，破壞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”，如果不采取補(bǔ)救措施，這種基因編輯小鼠胚胎是無(wú)法正常發(fā)育的。

人豬嵌合胚胎

不過(guò)，當(dāng)研究人員將大鼠的多能干細(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后，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，這些嵌合胚胎竟然能在小鼠子宮內(nèi)正常生長(zhǎng)發(fā)育。這些嵌合小鼠出生后能健康存活2年以上，相當(dāng)于人類(lèi)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)育的基因被破壞，但這些嵌合小鼠在大鼠多能干細(xì)胞的幫助下，成功發(fā)育出新的胰臟和眼睛等嵌合器官，并能在小鼠體內(nèi)發(fā)揮正常的生理功能。這項(xiàng)研究證實(shí)，人豬嵌合器官作為人類(lèi)器官供體并非異想天開(kāi)。

日本科學(xué)家采用與美國(guó)團(tuán)隊(duì)類(lèi)似的技術(shù)路線，將大鼠和小鼠進(jìn)行了對(duì)調(diào)。結(jié)果，新生大鼠長(zhǎng)出了含有小鼠細(xì)胞的嵌合胰臟，大小與大鼠胰臟差不多。日本研究人員還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)，成功控制了糖尿病小鼠的血糖水平，且1年后小鼠的血糖值依然維持在正常水平。這項(xiàng)研究進(jìn)一步證明了嵌合器官移植的可行性。

除了人豬、人猴和人鼠等人獸嵌合體，科學(xué)家還在開(kāi)展人兔和人羊等嵌合胚胎研究。其實(shí)，最早培育出人獸嵌合體的是中國(guó)科學(xué)家，早在2003年，中國(guó)上海第二醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科研人員就將人類(lèi)的體細(xì)胞核移植到兔子的受精卵內(nèi)，獲得人兔嵌合胚胎。2004年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員將人造血干細(xì)胞移植到55～60天的綿羊胚胎內(nèi)，培育出含有15%人類(lèi)細(xì)胞的嵌合綿羊。2005年，美國(guó)索克生物研究所的科學(xué)家將人類(lèi)胚胎干細(xì)胞移植到14天小鼠胎兒內(nèi)（小鼠妊娠期為21天左右），并在嵌合小鼠體內(nèi)檢測(cè)到人類(lèi)的神經(jīng)細(xì)胞。2006年，上海交通大學(xué)的科學(xué)家則將人造血干細(xì)胞移植到山羊胎兒體內(nèi)，培育出含有人體細(xì)胞的嵌合山羊，嵌合山羊出生2年后仍可在其體內(nèi)檢測(cè)到人體細(xì)胞?？茖W(xué)家希望通過(guò)人獸嵌合體的研究，來(lái)闡明人類(lèi)多能干細(xì)胞發(fā)育機(jī)制，并且開(kāi)發(fā)人類(lèi)疾病模型，甚至生產(chǎn)出可供人類(lèi)移植的器官供體。

在爭(zhēng)議中前行

雖然人獸嵌合體的研究正如火如荼地進(jìn)行著，但是仍然存在一些倫理上的爭(zhēng)議：有人擔(dān)心，含有人類(lèi)神經(jīng)細(xì)胞的嵌合動(dòng)物是否會(huì)形成人類(lèi)的思維;有人認(rèn)為對(duì)動(dòng)物進(jìn)行嵌合研究，給它們帶來(lái)沒(méi)有必要的痛苦，是否會(huì)損害動(dòng)物的福利;還有人擔(dān)憂如果將人獸嵌合動(dòng)物的器官移植到人類(lèi)身上，動(dòng)物體內(nèi)一些未知的內(nèi)源性病毒是否會(huì)感染人類(lèi)，從而產(chǎn)生新的致命的人畜共患病。

基于這些倫理爭(zhēng)議，各國(guó)政府也紛紛表明對(duì)人獸嵌合胚胎研究的態(tài)度。英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)立法禁止進(jìn)行將動(dòng)物干細(xì)胞引入人類(lèi)胚胎中的研究，但是并沒(méi)有明確反對(duì)進(jìn)行將人類(lèi)細(xì)胞引入動(dòng)物胚胎中的嵌合體研究。美國(guó)對(duì)人獸嵌合體研究的態(tài)度有些搖擺不定，2009年美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院出臺(tái)一項(xiàng)《人干細(xì)胞研究指南》，禁止將人類(lèi)的多能干細(xì)胞移植到動(dòng)物的早期胚胎中。不過(guò)，隨著人獸嵌合體研究的增加，2016年8月，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院又放開(kāi)了這一禁令，并且成立了一個(gè)專(zhuān)家組，對(duì)人獸嵌合體研究的資金申請(qǐng)進(jìn)行道德審查和監(jiān)管。2019年7月底，日本政府也正式批準(zhǔn)了人獸嵌合體的研究。

不過(guò)，隨著研究的不斷深入，以及充分的倫理論證和科學(xué)驗(yàn)證，公眾所擔(dān)心的問(wèn)題也將得到科學(xué)的解答，屆時(shí)造福人類(lèi)的人獸嵌合體或?qū)⒆兂涩F(xiàn)實(shí)。