在目前臨床器官移植技術(shù)日趨成熟的情況下，全球性的供體器官短缺問題日顯突出。干細(xì)胞研究和克隆技術(shù)的一系列突破使人們對再生醫(yī)學(xué)人造組織和器官的前景產(chǎn)生了許多期待，尤其是利用胚胎或多能干細(xì)胞在體外分化、發(fā)育成可供移植的供體器官或組織。但干細(xì)胞要在體外正常分化、發(fā)育成完整的且功能復(fù)雜的實體器官，并能適合臨床應(yīng)用是非常困難的。

為解決移植器官來源嚴(yán)重不足的難題，現(xiàn)任職美國得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心的吳軍博士在2017年發(fā)表的研究中，在倫理許可條件下第一次證明了科學(xué)家們能將人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞注入豬植入前胚胎，但該研究也顯示出人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞在其他物種動物胚胎內(nèi)嵌合難度大，總體嵌合比例較低，存在來自物種間的進(jìn)化差異和發(fā)育壁壘影響異種嵌合體效率。

為了認(rèn)識這種壁壘和解決人類多能干細(xì)胞嵌合率低下的問題，2021年1月28日，由吳軍博士團(tuán)隊聯(lián)合中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院、深圳華大生命科學(xué)研究院等機(jī)構(gòu)科學(xué)家團(tuán)隊在《自然》（Nature）雜志上聯(lián)合發(fā)表題為“Cell Competition Constitutes a Barrier for Interspecies Chimerism”的研究文章，首次報道發(fā)現(xiàn)細(xì)胞競爭是阻礙跨物種嵌合體形成的壁壘之一，且不同物種間干細(xì)胞在特定階段普遍存在細(xì)胞競爭現(xiàn)象。

在該研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)使用完全相同的培養(yǎng)條件，可以穩(wěn)定培養(yǎng)多個物種的多能干細(xì)胞。有了這種統(tǒng)一的培養(yǎng)方法，研究人員首先嘗試將人胚胎干細(xì)胞（H9 ESCs）和小鼠上胚層干細(xì)胞（mEpiSCs）進(jìn)行了體外共培養(yǎng)，驚奇地發(fā)現(xiàn)這兩個物種的始發(fā)態(tài)（Primed）干細(xì)胞有著不同的競爭力狀態(tài)：來自小鼠的細(xì)胞在接觸人類細(xì)胞時，可作為優(yōu)勝者(“Winner”)，通過細(xì)胞競爭，誘發(fā)作為失敗者(“l(fā)oser”)的人類干細(xì)胞程序性死亡，但處于原始態(tài)（Na?ve）的干細(xì)胞和分化后（differentiated）的細(xì)胞卻沒有這種現(xiàn)象。將始發(fā)態(tài)的人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）注入小鼠胚胎，觀察到了與體外共培養(yǎng)實驗共同的現(xiàn)象，即小鼠早期胚胎可以利用細(xì)胞競爭機(jī)制“殺死”外來的人類干細(xì)胞，從而導(dǎo)致人鼠嵌合胚胎的嵌合率低下。

人和小鼠始發(fā)態(tài)（Primed）干細(xì)胞競爭，導(dǎo)致人細(xì)胞的凋亡

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這種細(xì)胞競爭依賴于細(xì)胞間的接觸以及細(xì)胞凋亡。通過分離出共培養(yǎng)的人H9細(xì)胞，進(jìn)行RNA 測序，發(fā)現(xiàn)在共培養(yǎng)的第一天NFκB信號通路明顯處于激活狀態(tài)。將NFκB信號通路的關(guān)鍵因子MYD88或P65在人H9細(xì)胞中敲除，細(xì)胞競爭現(xiàn)象消失。基于此，研究人員通過抑制NFκB信號通路在人iPSCs的激活，可以提高人鼠嵌合胚胎的嵌合率。

為了確定自然界中其他物種干細(xì)胞間是否存在這種細(xì)胞競爭現(xiàn)象，研究人員選擇了小鼠、大鼠、獼猴、人和牛的始發(fā)態(tài)（Primed）干細(xì)胞，同樣發(fā)現(xiàn)處于該階段的干細(xì)胞，不同物種之間存在不同水平的競爭力狀態(tài)，大小鼠之間和人猴之間的干細(xì)胞競爭力相似，未發(fā)現(xiàn)明顯的細(xì)胞競爭現(xiàn)象，但大小鼠（嚙齒類）、人猴（靈長類）和牛始發(fā)態(tài)干細(xì)胞之間相對競爭力狀態(tài)是不同的，這種競爭力狀態(tài)的不同會導(dǎo)致細(xì)胞競爭的發(fā)生，表現(xiàn)在共培養(yǎng)體系中，競爭力強(qiáng)的Winner誘發(fā)loser凋亡，而且這種競爭力狀態(tài)似乎跟物種間進(jìn)化距離密切相關(guān)。

不同物種間始發(fā)態(tài)（primed）干細(xì)胞有著不同的競爭力

該文章共同第一作者、深圳華大生命科學(xué)研究院胡瑩瑩博士表示：“我們在這項研究中通過RNA測序，發(fā)現(xiàn)了NFκB信號通路在種間干細(xì)胞競爭中發(fā)揮重要調(diào)控作用。運用基因編輯技術(shù)抑制該通路，進(jìn)一步驗證了其功能。對于種間干細(xì)胞競爭分子機(jī)制的挖掘，有助于理解并克服異種嵌合形成中的壁壘?！?/p>

這項研究豐富了細(xì)胞競爭理論學(xué)說，為深入理解異種嵌合發(fā)育的壁壘機(jī)制提供了新的思路，也為異種嵌合技術(shù)在珍稀動物保護(hù)、器官再造等未來應(yīng)用拓展上提供了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

1. Wu, J., et al., Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell, 2017. 168(3): p. 473-486 e15.