近日，中国科学院广州生物医学与健康研究院的科研人员成功制造出包含人细胞和猪细胞的嵌合胚胎，将其移植到代孕母猪体内28天后，发育中的人源肾脏结构和肾小管形成正常。这意味着我国科学家首次在另一个物种体内成功培育出人源实质器官。9月7日，相关论文刊登在《细胞—干细胞》上。
异体器官移植是替代器官功能的有效途径，但器官供体短缺一直是世界各国面临的难题。
“通过基于干细胞的器官异种动物体内培育获得的人源化器官，不仅将具有更全面的细胞类型和更完善的器官结构与功能，而且由于供体细胞来源于患者自体，能有效避免异种器官或同种异体器官移植中存在的免疫排斥等问题。”论文通讯作者、中国科学院广州生物医学与健康研究院研究员赖良学告诉科普时报记者。
人源化器官体内再生困难重重
“选择肾脏作为移植器官，是因为肾脏是最早出现在胚胎发生过程中的器官之一，也是人类医学中最常见的移植器官。”赖良学说，借助猪作为载体来解决器官短缺问题，是因为猪的体型、器官大小、器官形态、生殖周期都比较接近于人，是生成人类器官的良好“孵化器”。
将人类干细胞成功整合到猪的胚胎并顺利发育，并非易事。赖良学介绍，在此前的研究中，科学家曾利用胚胎与多能干细胞互补，产生具有人类组织的大型哺乳动物可存活的种间嵌合体，成功地在小鼠和大鼠之间生成了胰腺、胸腺和肾脏等器官。然而，由于猪细胞比人细胞更具竞争力，且猪和人的妊娠期不同，二者的器官在体内发育至成熟的时间相差较大，迄今为止尚未通过这种方式在猪的体内产生人类的实质器官。
一直以来，人源化器官体内再生存在着很多难点。比如，如何获得具有高分化的潜能人干细胞，使其在猪体内分化成想要的器官；干细胞需要更高的生存竞争力，才能在异种环境中活下来并继续分化；怎样去除猪的相关器官，为人体器官腾出空间；人猪嵌合的技术并不完善等诸多技术障碍。
三次改造成功培育嵌合体
为了克服这些难题，赖良学团队直面种种挑战，通过3个步骤实施了“改造工程”。首先，利用CRISPR技术（一种基因编辑技术）改造了单细胞猪胚胎，使其缺失肾脏发育所需的两个基因，从而在猪胚胎中创造出一个空位，使人细胞不必与猪细胞竞争；其次，研究人员改造了人类多能干细胞，并将其培养成类似于早期人类胚胎细胞的“天然”细胞；最后，对人猪嵌合技术进行深度优化，将人干细胞注射入猪早期胚胎后，成功培养出了人细胞和猪细胞的嵌合体。
“我们将1820个嵌合胚胎分别移植给了13头母猪，并严格遵守相关伦理规定以及国际惯例，在25天或28天后终止妊娠并提取出这些胚胎，以评估在猪的体内是否成功产生了人源肾脏。”赖良学解释说，在提取的5个成功实现人细胞和猪细胞嵌合的胚胎中，它们具有与发育阶段对应、结构正常的肾脏，其中50%到60%的肾脏细胞都是人类细胞。
在猪体内培育人类器官尚需数年
在赖良学看来，这项技术可用于研究人体器官在体内的正常发育过程和发育性疾病，未来经过进一步优化，或许还能用于人体器官移植。不过，无论是技术还是伦理方面，都还有很漫长的路要走。比如，这次研究中的肾脏仍然带有猪血管，因为人类的血管会被怀孕母猪的免疫系统排斥。要克服这个问题，需要更加复杂的基因工程，才能使肾脏适合移植给人类。目前的研究还发现，有极少量人类细胞进入了小猪胚胎的大脑和脊髓，若进一步开展实验，这样的胚胎或许可能发育成拥有部分人类大脑的活体小猪，从而引起伦理方面的讨论。
“未来，我们会围绕异种嵌合进行研究，使人器官在猪体内能够生长更长的时间，功能结构也趋于成熟。除肾脏外，还要挑战心脏、肝脏和胰脏等其他器官在猪体内的异种再造。”
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