全世界每年大概有 200 萬人需要器官移植，但器官捐獻(xiàn)的數(shù)量遠(yuǎn)低于需求，怎么辦？科學(xué)家將目光投向了大師兄（猴子）和二師兄（豬）。

這里有兩條路徑，其一是異種器官移植，即把豬器官移植到人體內(nèi)，目前正用猴子來試驗(yàn)其可行性；其二是本文主題，異種嵌合體，即將人的干細(xì)胞注射到豬胚胎中，在豬體內(nèi)培養(yǎng)人的器官，目前正在用猴子或小鼠來檢驗(yàn)其可能性。

圖 | 首例 “豬猴嵌合體” 活產(chǎn)。（來源：《新科學(xué)家》）

如今，世界上首例 “豬猴嵌合體” 產(chǎn)生了。研究人員把猴子的胚胎干細(xì)胞注射到了豬的胚胎中，產(chǎn)生了 2 只“豬猴嵌合體”。這項(xiàng)研究于今年 11 月底發(fā)表在《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》（Protein ＆ Cell）上。

論文有 3 位通訊作者，均來自中國科學(xué)院動物研究所干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，他們是從事人源化豬模型構(gòu)建的海棠博士，干細(xì)胞與生殖生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任李偉研究員和中國科學(xué)院院士、動物所所長周琪。

4359 個(gè)囊胚，2 只活產(chǎn)

圖 | “豬猴嵌合體”的產(chǎn)生過程。（來源：《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》）

圖 | 嵌合體活產(chǎn)豬的心臟、肝臟、脾臟、肺、皮膚和子宮中綠色熒光蛋白的免疫熒光圖像。（來源：《蛋白質(zhì)與細(xì)胞》）

這 2 只小豬看起來與正常的豬并無異樣，只是其體內(nèi)一部分細(xì)胞來自食蟹獼猴。這是世界上首次豬猴嵌合體活產(chǎn)，但 1 周內(nèi)均死亡。

研究人員在食蟹猴細(xì)胞中加入了熒光蛋白 GFP，這樣就可以追蹤細(xì)胞及其繁衍的后代。在得到可追蹤的胚胎干細(xì)胞后，研究人員將之注射到了受精 5 天后的豬胚胎中。他們共注入了 4359 個(gè)囊胚，獲得 3 個(gè)嵌合體胚胎。

不過其中 1 只嵌合體發(fā)生了流產(chǎn)。在生產(chǎn)的 10 只仔豬中，2 只經(jīng)過特異性序列引物的 PCR 確認(rèn)是豬 – 食蟹猴的嵌合體。

嵌合體器官的最大障礙是目標(biāo)器官嵌合率太低。研究人員檢測發(fā)現(xiàn)，在嵌合體仔豬的體內(nèi)，包括心臟、肝臟、脾臟、肺和皮膚在內(nèi)的多種組織內(nèi)均有食蟹猴細(xì)胞，但其比例很低，在千分之一到萬分之一之間。

研究人員懷疑仔豬的死亡與體外顯微注射有關(guān)，而并非與嵌合體有關(guān)，因?yàn)榉乔逗象w的仔豬也都死掉了。

據(jù)《新科學(xué)家》，加州大學(xué)戴維斯分校的干細(xì)胞生物學(xué)家 Paul Knoepfler 評價(jià)說，鑒于所有動物的嵌合率很低，且都死亡，這個(gè)結(jié)果令人沮喪。

仔豬全部死亡是否與體外顯微注射有關(guān)，尚不能確認(rèn)。得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯西南醫(yī)學(xué)中心助理教授吳軍對 DeepTech 表示，該研究中仔豬活產(chǎn)數(shù)量太少，還不能下此結(jié)論。

研究人員在論文中表示，這個(gè)研究證實(shí)了食蟹猴 – 豬的嵌合體可以在豬體內(nèi)生長出具有功能性的肝細(xì)胞和腎細(xì)胞，這些細(xì)胞可以用來進(jìn)一步臨床應(yīng)用研究。

研究人員認(rèn)為，異種嵌合體到臨床還有兩個(gè)障礙：其一，需要提高嵌合率；其二，需要了解異種進(jìn)化差異的分子機(jī)制，這種進(jìn)化差異影響了異種嵌合體的發(fā)育效率。

他們希望下一步能制造出完全由猴子細(xì)胞組成的器官。

最大障礙是嵌合率

圖 | 一個(gè)攜帶大鼠心臟細(xì)胞（紅色）的小鼠胚胎。（來源：索爾克生物研究所）

在解剖學(xué)、生理學(xué)以及器官發(fā)育和疾病作用機(jī)制方面，豬與人類有諸多相似性，所以是器官替代較理想的動物模型。

制備嵌合體大都用顯微注射，也就是通過顯微操作將目的干細(xì)胞注入豬的早期胚胎中。

2010 年，日本東京大學(xué)和美國斯坦福大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、干細(xì)胞學(xué)家 Hiromitsu Nakauchi 制造出了含有大鼠胰臟的小鼠，這是一種改造后無法發(fā)育出自己胰臟的小鼠，他打算利用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞）在小鼠體內(nèi)培育人類胰臟。

2017 年，還在加州索爾克生物研究所做研究員的吳軍制造了豬 – 人嵌合體。他們向豬胚胎注射了多種人類誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，首次用中間多能態(tài)的干細(xì)胞成功培育出人豬嵌合體胚胎。由于倫理原因，胚胎僅在豬體內(nèi)發(fā)育了 3 到 4 周時(shí)間。最終的結(jié)果顯示，不同組織和器官嵌合度有差異，比如心臟和肌肉嵌合度明顯要高于其他組織，但從整個(gè)胚胎來講，大約每 10 萬個(gè)豬細(xì)胞中有 1 個(gè)人細(xì)胞。

據(jù)今年 7 月西班牙《國家報(bào)》（El País）報(bào)道，西班牙武康大學(xué)與索爾克生物研究所的研究人員正在中國進(jìn)行人 – 猴嵌合體的研究，目前尚未有結(jié)果公布。

異種移植專家、南京醫(yī)科大學(xué)特聘教授戴一凡此前對 DeepTech 表示，這幾年反復(fù)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異種嵌合體研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有人們當(dāng)初想象的那么容易，主要是人的干細(xì)胞和豬胚胎發(fā)育的不匹配，人的細(xì)胞和豬的細(xì)胞之間不能很好的互動，很難存活或發(fā)揮應(yīng)有的功能。

至于倫理問題，美國、西班牙和一些其他國家允許制造人 – 動物嵌合體，只要其沒有繁衍能力且不會發(fā)育成大腦即可。

然而據(jù)《新科學(xué)家》報(bào)道，新加坡生物醫(yī)學(xué)研究所發(fā)育學(xué)家 Davor Solter 的看法是，這是一種可笑的擔(dān)憂，人腦細(xì)胞在老鼠大腦中也只能做老鼠該做的事情，它不會具備人類的思想。因?yàn)榇竽X的結(jié)構(gòu)決定了人類之所以為人，而非單個(gè)的細(xì)胞所決定。

吳軍同意 Davor 的觀點(diǎn)， 也表示這些擔(dān)憂缺乏科學(xué)依據(jù)，人類細(xì)胞在老鼠和豬大腦中會怎樣，需要研究來證實(shí)，哪怕是用大小鼠或其他靈長類細(xì)胞驗(yàn)證也可以佐證。

專訪吳軍：異種嵌合體器官移植路線圖是怎樣的？

圖 | 吳軍。（來源：得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯西南醫(yī)學(xué)中心）

吳軍，畢業(yè)于山東醫(yī)科大學(xué)獲得臨床醫(yī)學(xué)學(xué)士學(xué)位，后獲得田納西大學(xué)諾克斯維爾分校生命科學(xué)博士學(xué)位，之后在南加州大學(xué)做博士后，在索爾克研究所做研究員，他于 2018 年 1 月加入得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯西南醫(yī)學(xué)中心，擔(dān)任分子生物學(xué)助理教授。

他在異種嵌合體領(lǐng)域做了一些開創(chuàng)性的工作，海棠等人的這篇論文也多次引用了其成果，而且也證明了之前他關(guān)于中間多能狀態(tài)干細(xì)胞有異種嵌合優(yōu)勢的發(fā)現(xiàn)。

DeepTech：如何看待這項(xiàng)研究的價(jià)值？

吳軍：從十萬分之一到萬分之一、千分之一，最終的異種嵌合率比以前的研究有些提高，但是實(shí)際上還是比較低的，說明物種之間生成嵌合體的過程中還是有一定的障礙。

這篇文章沒有做相關(guān)機(jī)理方面的研究，主要是技術(shù)方面的突破。他們通過將豬胚胎的培養(yǎng)液和中間多能狀態(tài)干細(xì)胞的培養(yǎng)液混合到一起，讓猴子干細(xì)胞在豬胚胎里面能夠更適應(yīng)，這可能對將來的嵌合體實(shí)驗(yàn)有所幫助。

DeepTech：從十萬分之一到萬分之一、千分之一，這是一個(gè)很大的進(jìn)步嗎？

吳軍：不管是我們之前預(yù)估的十萬分之一，還是萬分之一、千分之一，都屬于一個(gè)非常低的嵌合率。它還沒有達(dá)到能夠有效在體內(nèi)產(chǎn)生功能性組織的水平。而且，異種嵌合很可能會面臨組織偏差的問題，也就是說，因?yàn)槲锓N間發(fā)育過程等的不同，即使整體胚胎嵌合度提高，可能有些組織會有很少的或者沒有任何嵌合。

異種細(xì)胞發(fā)育快慢是不一致的，其發(fā)育程序也不同，另外就是細(xì)胞與細(xì)胞之間可能有互相競爭的關(guān)系。

大鼠跟小鼠的整體嵌合可以達(dá)到 20%-30%。通過互補(bǔ)，在某些器官嵌合可以達(dá)到 90% 以上。因?yàn)榇笫蠛托∈笫莾蓚€(gè)相近的物種，都屬于嚙齒類，發(fā)育程序比較類似，但人與豬或者是猴子與豬在進(jìn)化關(guān)系上就很遠(yuǎn)，猴子細(xì)胞或者人的細(xì)胞可能在豬胚胎發(fā)育過程中不能接受到兼容的發(fā)育信號。

DeepTech：與傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域相比，異種嵌合體的研究似乎不夠熱鬧，有什么原因嗎？

吳軍：有幾個(gè)原因。

其一，雖然有很多實(shí)驗(yàn)室會用到干細(xì)胞，但是真正通過異種嵌合做胚胎干細(xì)胞再生醫(yī)學(xué)研究的不是特別多。

其二，嵌合體涉及到體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，比如顯微注射，甚至用到不同的動物，這不是每個(gè)實(shí)驗(yàn)室都能夠去做的。

其三，我覺得是這個(gè)領(lǐng)域還處于很早期階段，還有很多的技術(shù)上跟倫理上的障礙。比如人的細(xì)胞會不會轉(zhuǎn)移到豬腦系統(tǒng)或者生殖系統(tǒng)里面。將來如果嵌合率提高的話，就可能需要解決人的細(xì)胞避免進(jìn)入倫理敏感的器官中，尤其是生殖系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)。另外我想強(qiáng)調(diào)的一件事是，即使是大小鼠之間的互補(bǔ)，現(xiàn)在成功的器官也只有胰腺。其他器官，比如腎臟，雖然最近有報(bào)道小鼠干細(xì)胞來源的腎臟可以在大鼠新生兒體內(nèi)生成，但器官大小比同期的大鼠腎臟要小，而且其功能并沒有被完全測試。這些都說明該領(lǐng)域還處于探索階段，離臨床應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。

DeepTech：可否簡單描述一下，嵌合體研究到最終能夠?qū)崿F(xiàn)器官移植應(yīng)該是一個(gè)怎樣的路線圖？

吳軍：首先要解決整體胚胎嵌合率低下的技術(shù)問題，怎么讓跨物種的胚胎干細(xì)胞更有效地進(jìn)入到另外一個(gè)物種的早期發(fā)育胚胎，而且能夠參與到各種器官的早期發(fā)育中。

如果這個(gè)問題解決了，下一步就是怎么控制，特別是讓人的胚胎干細(xì)胞避免進(jìn)入我們不想讓它進(jìn)入的器官，這是一個(gè)倫理的問題。

第 3 點(diǎn)就是，異種嵌合體器官的功能性是不是與人的器官相似，這可能需要去做一些移植實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然這個(gè)階段早期可能是用猴子來測試。

第 4 點(diǎn)是制造一個(gè)完整的器官?，F(xiàn)在我們制造的不是一個(gè)完整的器官，比如其中有些血管、神經(jīng)和間質(zhì)細(xì)胞主要還是宿主的。

DeepTech：感覺你描述的每一步都是挑戰(zhàn)性很大，能不能估計(jì)一下，10 年之內(nèi)有可能實(shí)現(xiàn)到哪一步？

吳軍：我覺得現(xiàn)在沒辦法去預(yù)估，有可能明年就有一個(gè)非常激動人心的進(jìn)展，也有可能一直都會有一些困難，10 年、20 年不一定能夠達(dá)到預(yù)期。

因?yàn)檫@是一個(gè)非常新的領(lǐng)域，很多實(shí)驗(yàn)室都處在摸索的階段，沒有之前的研究可借鑒。但是我比較樂觀，5 年到 10 年應(yīng)該會有一個(gè)概念驗(yàn)證，比如說異種生產(chǎn)人的功能性細(xì)胞，如胰島細(xì)胞。

DeepTech：能不能預(yù)測一下，對于心臟、肝、肺、胰島這些器官，你覺得哪種器官可能會有更快進(jìn)展？

吳軍：我覺得是胰島。因?yàn)樽龅淖疃嗟那逗象w工作就是胰島，包括日本做了大鼠、小鼠的胰島的生成，之前我在索爾克研究所也做了小鼠胰島研究。另外，胰島的發(fā)育在各個(gè)物種中比較保守，有一些保守的基因在調(diào)控，那么就更容易控制。

另外肌肉也可能進(jìn)展很快。肌肉主要組成是肌肉細(xì)胞，一些關(guān)鍵基因的研究也比較清楚，并且我們?nèi)素i嵌合實(shí)驗(yàn)的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，肌肉組織嵌合度相對其他組織比較多。

DeepTech：有器官移植的專家說，與嵌合體器官相比，異種器官移植可能會更快上臨床。

吳軍：我同意這個(gè)說法。異種器官移植早在 1990 年代就開始了，研究基礎(chǔ)很好，特別是現(xiàn)在有了基因編輯，就更加簡單和方便，所以異種器官移植可能在最近幾年就會有臨床實(shí)驗(yàn)。

DeepTech：那么除了器官移植，異種嵌合體研究在生物學(xué)和臨床上還有什么價(jià)值？

吳軍：這也是我自己的實(shí)驗(yàn)室專攻這個(gè)方向的一個(gè)原因。因?yàn)榍逗象w研究不僅是為了器官移植，異種嵌合可以給基礎(chǔ)研究帶來一些新的認(rèn)識。比如說大鼠與小鼠是兩個(gè)完全獨(dú)立的物種，它們在千萬年前就已經(jīng)分開了，但是如果可以把大鼠的干細(xì)胞放到小鼠體內(nèi)，讓它去經(jīng)歷小鼠發(fā)育的整個(gè)過程，這個(gè)系統(tǒng)就非常有意思。

我們可以研究一些進(jìn)化的保守的或者不保守的發(fā)育程序，比如說器官大小的控制，壽命的控制。有的嚙齒類物種可以生活 30 年，而同為嚙齒類的小鼠只有 2 年到 3 年壽命，那么如果能夠產(chǎn)生嵌合體，就可以用來研究長壽問題。

甚至包括癌癥，有一些物種幾乎不會患癌癥，那么研究有其細(xì)胞的嵌合體是不是會發(fā)現(xiàn)一些新的抗癌機(jī)理呢？

DeepTech：能不能介紹一下你們現(xiàn)在做的工作？

吳軍：我們現(xiàn)在主要想解決嵌合率的問題。主要是通過建立一些體外的系統(tǒng)來研究早期發(fā)育機(jī)理，包括細(xì)胞與細(xì)胞之間的相互作用、細(xì)胞粘附、細(xì)胞通訊以及發(fā)育時(shí)程、細(xì)胞周期。另外是細(xì)胞分化的速度，人類細(xì)胞比小鼠、大鼠和豬的細(xì)胞要慢很多，我們在體外可以重現(xiàn)體內(nèi)發(fā)育的過程，希望可以讓人的細(xì)胞分化加快或者讓動物細(xì)胞分化放緩。

另外我們比較感興趣的是，在早期發(fā)育過程中，人類細(xì)胞和其他物種細(xì)胞之間的通訊。

機(jī)理研究在體內(nèi)比較難做，因?yàn)轶w內(nèi)實(shí)驗(yàn)周期比較長，影響因素也較多，所以希望建立起一種體外的研究系統(tǒng)，這也是我們主攻的一個(gè)方向。

DeepTech：我看到今年 7 月份有報(bào)道說索爾克研究所與西班牙武康大學(xué)合作，在中國進(jìn)行猴子嵌合體的研究。他們?yōu)槭裁催x擇中國呢？

吳軍：不是因?yàn)樵谥袊梢宰?，其他國家不能做。我覺得他們之所以在中國做，可能是因?yàn)橹袊┠暝陟`長類研究領(lǐng)域有突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，研究中心比較多，猴子種類比較多，數(shù)量也比較多。要知道，第一個(gè)克隆猴是在中國出生的，第一批具有針對性突變的猴子也是在中國出生的。

來源： DeepTech深科技

參考：

https://www.newscientist.com/article/2226490-exclusive-two-pigs-engineered-to-have-monkey-cells-born-in-china/#ixzz67TulIe24

https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs13238-019-00676-8

https://www.newscientist.com/article/mg21829234-100-how-to-grow-human-spare-organs-inside-pigs/

https://elpais.com/elpais/2019/07/31/inenglish/1564561365_256842.html