[科普中国]-日本批准人-动物混合胚胎实验，真能培育出人类器官吗？

今年7月24日，日本文部省批准了东京大学关于“使用诱导性多能干细胞（Induced pluripotent stem cells，简称 iPS 细胞）在鼠科实验动物体内生成人体器官”的研究计划，该新闻一出，立即引起了轩然大波。日本各大主流媒体都对此进行了相关报道，《自然》杂志也发表了新闻评论文章。这项研究突破了以往科学界所设定的伦理界限，是全球首例人类-动物胚胎实验，因此得到了多方的关注。这到底是一项怎样的研究？进行此类研究有何用意？这项技术距离实际应用还有多远的距离？这篇文章将为大家揭示答案。由于担心人兽混合有机体的诞生所带来的伦理争议，人类和动物的杂交实验一直被国际禁止。直到今年3月，日本仍然明确禁止培育超过14天的含有人类细胞的动物胚胎，或将这些胚胎移植到替代子宫中。但在3月，日本文部科学省发布了新的指导方针，允许创造人类-动物胚胎，这些胚胎可以移植到替代动物体内并进入足月。在此之前，人类-动物杂交胚胎已在美国等国家进行实验，但从未成功。尽管美国允许进行此类研究，但在2015年，美国国立卫生研究院开始暂停为此类工作提供资金。这项研究会“造出什么”？该次计划是由东京大学医学科学研究所特别任命的中内教授提交的。他和其他研究者的计划如下：首先创造一种动物胚胎，这种胚胎缺乏生产某种器官（如胰腺）所必需的基因。然后将人的诱导性多能干细胞注入该动物胚胎。诱导性多能干细胞是那些已经重新编程为胚胎样状态的细胞，可以产生几乎所有的细胞类型。随着动物胚胎的发育和出生，借助动物的体内环境，可以帮助这些人类的多能干细胞分化生成人类的胰腺，以用于临床移植治疗。再具体一点，如下图所示：首先提取胰脏器官缺损大鼠的受精卵，将人的诱导性多功能干细胞植入这些受精卵中，制成特殊的胚胎。再将这些胚胎移植到代孕的大鼠中，目的是令这些怀孕大鼠产下的子代体内产生人类的胰脏细胞，乃至类器官组织。在出产后持续观察2年，当人体细胞超过30%时，实验会被终止。不仅是胰脏，这项计划还会尝试肝脏和肾脏。将来，还将在猪或羊身上进行实验，以获得和人类大小尺寸相似的器官。日本政府在2012年前后就开始讨论这项研究，今年3月，在充分考虑研究目的、目标动物种类等社会和伦理问题，并听取宗教学者的意见后，最终批准了这项研究。为了防止人与动物之间界限不明确的生物体的诞生，政府要求其必须频繁地向伦理委员会汇报研究进展。解决“器官移植”问题器官移植仍然是多种致命疾病的唯一治疗方法，然而供体的缺乏，使得患者往往在等不到救助时就失去生命。例如，美国有超过76,000名患者需要接受移植手术，并且每隔10分钟就会有1个人加入等待供体的队伍中。志愿者或者是家族亲属依然是供体器官的主要来源。然而，从事再生医学研究的科学家们始终希望可以通过体外培养细胞或器官，来一劳永逸地解决移植供体短缺的问题。诱导性多能干细胞、胚胎干细胞（由早期胚胎中提取出的具有多向分化能力的干细胞）等多种干细胞都有潜力分化成身体各个脏器的细胞，例如心肌细胞，血管细胞，胎盘细胞，肾脏细胞等等。这些组织细胞可以在实验室进行无限量的增殖，也可以生成一些类似器官的特异性细胞团，或者一些微型器官（类器官）。但在体外利用干细胞生成完整的并具有功能性的器官以用于移植，仍然遥遥无期。想要跨过这个障碍，必须进行大胆的尝试。小鼠-大鼠胚胎试验中内教授的团队希望可以借助动物的体内环境得到人类器官。为了应对这一挑战，他们首先在小鼠和大鼠这两种鼠科动物身上做了实验，也就是，制造小鼠-大鼠混合胚胎。实验过程如下：将大鼠的多能干细胞注射到小鼠的胚泡（受精卵发育到第五天时，有100个细胞左右，呈泡状，称为胚泡）中。这些胚泡在代孕小鼠中继续发育，出生后的小鼠体内产生了大量的大鼠胰腺细胞（胰岛）。这些胰岛虽然具有正常功能，然而问题是它们只具有和小鼠匹配的大小，无法达到治疗糖尿病大鼠的效果。因此他们又进行了逆向实验，如下图所示，将小鼠多能干细胞注射到经过转基因处理的没有胰脏的大鼠胚泡中，再将这些大鼠胚泡移植到代孕大鼠体内，出生的大鼠就含有小鼠干细胞衍生出的胰脏细胞。这些胰岛移植到糖尿病小鼠中后，宿主血糖水平稳定维持了超过370天。这些鼠科动物的数据有力地说明了在异种宿主间通过胚胎融合（称为胚泡互补）进行治疗疾病的潜力。培养人类器官的难点鼠科动物研究中的成功经验让中内教授大胆提出了终极目标——利用相似技术在动物身上培养人类器官。然而，通过胚泡互补培养组织乃至器官仍然存在不少问题。首先，来自不同物种的残留细胞将可能污染供体器官。目前为止，研究仅限于在相似种类动物间进行，即都是啮齿类动物。大鼠和人类毕竟是差异甚大的不同物种，是否能够得到人体适用的功能性胰岛仍然存在疑问。另外一个必须考虑的问题就是免疫排斥，在临床上进行移植治疗时，最棘手的问题就是免疫排斥。以往数据显示，同种异体移植远比自体胰岛移植难度大，而异种移植显然更加困难，50％-70％的胰岛在异种移植后立即被超急性排斥破坏。尽管小鼠-大鼠胚胎试验中，没有发生这样的过度急性反应，但是我们仍然担心动物胚胎中产生的人类细胞再移植到患者体内后，人体能否顺利接纳或消除胰岛中仍然存留的包括血管，基质等动物细胞。如果不能解决与这些异体细胞的共存问题，免疫排斥效应依然是这项研究在临床应用上的难点。除了实验上的难点之外，大部分科学家仍然担心这项研究会突破伦理道德界限。一些生物伦理学家担心人体细胞可能会偏离目标器官的发育，前往发育中的动物的大脑并可能影响其认知，进而导致不明确生物体的出现。为此中内教授也称，“在实验设计中已经考虑到了这些问题。将进行有针对性的器官生成，细胞只能进入胰腺”。离实际应用还有多远？除了异种动物之间的胚泡互补，中内教授还提出了另外的技术路线，即在患者之间或者患者-健康人之间进行更直接的临床转换。或者利用在进化方面与人类更为接近的猪或灵长类动物进行实验，这样产生的胰岛与人类胰岛在功能和免疫学上将更为相似。按照以往经验，让人类细胞在另一个物种中生长并不容易。2018年，中内教授及其同事在德克萨斯州奥斯汀举行的美国科学促进会会议上宣布，他们已将人类诱导性多能干细胞置于绵羊胚胎中，然而这些胚胎无法产生胰岛。生长28天后的杂交胚胎含有非常少的人体细胞，且没有类似器官的东西。这可能是因为人与绵羊之间的遗传距离。使用进化上距离较远的物种，进行人-动物杂交胚胎的相关研究困难重重。因此为了进一步推动人-动物胚胎杂交技术的发展，还需要对物种之间的基因和分子方面的理论基础进行深入研究。为此，中内教授计划在胚胎早期发育的不同阶段试验诱导性多能干细胞，并尝试一些转基因诱导性多能干细胞，以此确定到底是什么限制了动物胚胎中人体细胞的生长。另外，利用大型动物进行实验，研究伦理方面存在更多顾虑，相关实验应谨慎执行，进展应及时向主管部门汇报，民众也应获得一定的知情权。作者 | [中]卓思 日本理化学研究所 研究员审稿 | [中]陆修远 大阪大学免疫前沿研究所 研究员责编 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国