異源器官移植是替代受損或衰竭器官的有效方法，但因器官嚴重短缺而受到限制。一個突破性的解決方案是，通過胚胎互補在其他大型哺乳動物身上產生人體器官，但它面臨著許多挑戰(zhàn)，尤其是人類細胞與受體組織的整合較差。

過去的研究已表明，通過胚胎與多能干細胞（PSCs）互補，產生種間嵌合體是一個有潛力的解決方案。科學家已經成功地在小鼠和大鼠之間生成了胰腺、胸腺和腎臟等器官。豬在生理學、器官大小以及胚胎發(fā)育方面與人類相似，因而是生成人類器官的良好“孵化器”。然而，由于人多能干細胞衍生細胞對豬組織的整體貢獻較差，迄今為止尚未產生實體器官。

中國科學院廣州生物醫(yī)學與健康研究院的研究人員成功制造出包含人細胞和豬細胞的嵌合胚胎。移植到代孕母豬體內28天后，發(fā)育中的人源腎臟結構和腎小管形成正常。這是科學家們第一次能夠在另一個物種體內培養(yǎng)出一個實體人源器官。9月7日，相關論文刊登于細胞出版社（Cell Press）旗下期刊《細胞-干細胞》（Cell Stem Cell）上。

“我們的發(fā)現(xiàn)證明了在器官功能發(fā)生障礙的豬中培養(yǎng)人源化原始器官的可能性，為再生醫(yī)學開辟了一條令人興奮的途徑，也為研究人類腎臟發(fā)育打開了一扇人工窗口?！毖芯咳藛T在論文中寫道。

研究人員之所以選擇腎臟作為移植器官，是因為腎臟是最早發(fā)育的器官之一，也是人類醫(yī)學中最常見的移植器官。

將人類干細胞整合到豬胚胎中一直是一個挑戰(zhàn)，因為豬細胞比人細胞更具競爭力，而且豬細胞和人細胞有不同的生理需求。論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學與健康研究院研究員賴良學說：“我們的方法改善了人細胞與受體組織的整合，使豬身上可以培養(yǎng)人類器官。”

胚胎內的人源化腎細胞（紅色熒光）與野生型豬胚胎對比。圖片來源：論文

該團隊的技術包括3個關鍵組成部分：

首先，研究人員利用CRISPR基因編輯技術對單細胞豬胚胎進行改造，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)造了一個空位，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（一種有潛力發(fā)展成任何細胞類型的細胞），通過暫時關閉細胞凋亡（指為維持內環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主的有序的死亡），使它們更容易整合，更不容易自我毀滅。然后，他們將這些細胞培養(yǎng)在一種特殊的培養(yǎng)基中，轉化為類似于早期人類胚胎細胞的“天然”細胞。

第三，在將發(fā)育中的胚胎植入代孕母豬之前，研究人員在能為人細胞和豬細胞提供獨特營養(yǎng)和信號的最優(yōu)條件下培養(yǎng)了嵌合體，因為人細胞和豬細胞通常有不同的需求。

研究人員共將1820個胚胎移植給了13頭母豬。在25天或28天后，他們終止妊娠并提取胚胎，以評估嵌合體是否成功地產生了人源腎臟。

研究人員收集了5個嵌合胚胎（植入后25天的2個和植入后28天的3個）進行分析，發(fā)現(xiàn)它們具有發(fā)育階段結構正常的腎臟，并且由50%-60%的人類細胞組成。25-28天，腎臟進入中腎期（腎臟發(fā)育的第二階段），形成了小管和細胞芽，這些最終將發(fā)育成連接腎臟和膀胱的輸尿管。

該團隊還研究了人類細胞是否在整個胚胎中對其他組織有影響，特別是豬仔的神經或生殖系組織中是否會發(fā)現(xiàn)大量的人類細胞，這可能具有倫理啟示。他們發(fā)現(xiàn)，人細胞絕大部分位于腎臟，而胚胎的其余部分則由豬細胞組成。

“我們發(fā)現(xiàn)，如果在豬胚胎中創(chuàng)造一個空位，那么人細胞就會自然地進入這些空間。”論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學與健康研究院研究員戴禎說，“我們在大腦和脊髓中只發(fā)現(xiàn)了很少的人類神經細胞，在生殖嵴（胚胎發(fā)育至4-5周時，在體腔背面腸系膜的基底部兩側，左右兩側各出現(xiàn)兩個由體腔上皮增生所形成的隆起，統(tǒng)稱為泌尿生殖嵴）中沒有發(fā)現(xiàn)人細胞，這表明人類多能干細胞沒有分化成生殖細胞。”研究人員說，通過敲除人類多能干細胞中的更多基因，可以進一步防止這種情況的發(fā)生，這可以在未來的研究中進行測試。

現(xiàn)在，研究人員已經優(yōu)化了在人豬嵌合體中生長人源腎臟的條件，并希望能讓腎臟發(fā)育更長的時間。他們還計劃在豬身上培育其他人體器官，包括心臟和胰腺。

研究人員表示，長期目標是優(yōu)化這項技術以便用于人體器官移植，但這項工作將是復雜的，可能需要多年時間。由于器官由多種類型的細胞和組織組成，在豬身上培養(yǎng)一個功能齊全的人源器官還需要一些額外的步驟。

進一步提高移植豬器官的存活率并不簡單。在這項研究中，研究人員僅為一種細胞亞群創(chuàng)造了一個空位，這意味著腎臟中含有豬血管細胞，如果用于移植，可能會導致免疫排斥反應。此外，生理學上的顯著種間差異仍可能導致功能障礙。

該論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學與健康研究院研究員Miguel a . Esteban說：“因為器官不僅僅是由一個細胞譜系組成的，為了讓一個器官的一切都來自人類，我們可能需要用更復雜的方式來‘改造’豬，這也帶來了一些額外的挑戰(zhàn)?！?

該技術還可用于研究人體器官的發(fā)育和發(fā)育性疾病。“在能制造可供臨床使用的器官之前，這種方法為研究人類發(fā)育提供了一個窗口。”Esteban說，“你可以追蹤注入的人類細胞并操縱它們，進而研究疾病和細胞譜系是如何形成的?！?

研究人員在論文中指出，需要進一步的研究來闡明整合的人類細胞是否與野生型豬中腎的發(fā)育狀態(tài)一致。優(yōu)化人多能干細胞（外源因素、培養(yǎng)條件或注射程序）有可能促進嵌合，但這可能會導致對不理想譜系的貢獻增加，因此需要仔細評估。例如，對胎盤等胚胎外組織的過度貢獻可能會增加發(fā)育中胚胎的免疫排斥風險。為了指導整體優(yōu)化過程，使用單細胞組學技術分析不同發(fā)育階段器官發(fā)生障礙或野生型宿主胚胎內供體細胞的動力學將是有價值的。

2016年，英國廣播公司（BBC）曾報道過相似的研究：美國加州大學戴維斯分校（UCD）繁殖生物學家帕布洛·羅斯（Pablo Ross）團隊為解決人類可移植器官短缺的問題，試圖通過CRISPR的基因編輯技術在一個新受精的豬胚胎中，刪除可以發(fā)育成胰腺的DNA，將iPS（誘導性多能干細胞）植入豬胚胎，讓它在豬體內發(fā)育成可供人類移植使用的胰腺。

這項研究在當時引發(fā)了巨大的倫理爭議。美國埃默里大學（Emory University）倫理學中心神經倫理學項目主辦的博客曾發(fā)文指出，少量人類干細胞可能會發(fā)生遷移并進入豬胚胎發(fā)育中的大腦，從而賦予后者一部分人類性狀，盡管羅斯堅稱，產生一個人類大腦的可能性非常低。

因對倫理問題的擔憂，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）拒絕資助這項研究。

（澎湃新聞記者 曹年潤）