今年7月24日，日本文部省批準了東京大學關於“使用誘導性多能幹細胞（Induced pluripotent stem cells，簡稱 iPS 細胞）在鼠科實驗動物體內生成人體器官”的研究計劃，該新聞一出，立即引起了軒然大波。日本各大主流媒體都對此進行了相關報導，《自然》雜誌也發表了新聞評論文章。
這項研究突破了以往科學界所設定的倫理界限，是全球首例人類-動物胚胎實驗，因此得到了多方的關注。這到底是一項怎樣的研究？進行此類研究有何用意？這項技術距離實際應用還有多遠的距離？這篇文章將為大家揭示答案。
由於擔心人獸混合有機體的誕生所帶來的倫理爭議，人類和動物的雜交實驗一直被國際禁止。直到今年3月，日本仍然明確禁止培育超過14天的含有人類細胞的動物胚胎，或將這些胚胎移植到替代子宮中。但在3月，日本文部科學省發布了新的指導方針，允許創造人類-動物胚胎，這些胚胎可以移植到替代動物體內並進入足月。
在此之前，人類-動物雜交胚胎已在美國等國家進行實驗，但從未成功。儘管美國允許進行此類研究，但在2015年，美國國立衛生研究院開始暫停為此類工作提供資金。
這項研究會“造出什麽”？
該次計劃是由東京大學醫學科學研究所特別任命的中內教授提交的。他和其他研究者的計劃如下：首先創造一種動物胚胎，這種胚胎缺乏生產某種器官（如胰腺）所必需的基因。然後將人的誘導性多能幹細胞注入該動物胚胎。誘導性多能幹細胞是那些已經重新編程為胚胎樣狀態的細胞，可以產生幾乎所有的細胞類型。隨著動物胚胎的發育和出生，借助動物的體內環境，可以幫助這些人類的多能幹細胞分化生成人類的胰腺，以用於臨床移植治療。
再具體一點，如下圖所示：首先提取胰髒器官缺損大鼠的受精卵，將人的誘導性多功能幹細胞植入這些受精卵中，製成特殊的胚胎。再將這些胚胎移植到代孕的大鼠中，目的是令這些懷孕大鼠產下的子代體內產生人類的胰髒細胞，乃至類器官組織。在出產後持續觀察2年，當人體細胞超過30%時，實驗會被終止。
不僅是胰髒，這項計劃還會嘗試肝髒和腎髒。將來，還將在豬或羊身上進行實驗，以獲得和人類大小尺寸相似的器官。日本政府在2012年前後就開始討論這項研究，今年3月，在充分考慮研究目的、目標動物種類等社會和倫理問題，並聽取宗教學者的意見後，最終批準了這項研究。為了防止人與動物之間界限不明確的生物體的誕生，政府要求其必須頻繁地向倫理委員會匯報研究進展。
解決“器官移植”問題
器官移植仍然是多種致命疾病的唯一治療方法，然而供體的缺乏，使得患者往往在等不到救助時就失去生命。例如，美國有超過76,000名患者需要接受移植手術，並且每隔10分鐘就會有1個人加入等待供體的隊伍中。志願者或者是家族親屬依然是供體器官的主要來源。然而，從事再生醫學研究的科學家們始終希望可以通過體外培養細胞或器官，來一勞永逸地解決移植供體短缺的問題。
誘導性多能幹細胞、胚胎幹細胞（由早期胚胎中提取出的具有多向分化能力的幹細胞）等多種幹細胞都有潛力分化成身體各個髒器的細胞，例如心肌細胞，血管細胞，胎盤細胞，腎髒細胞等等。這些組織細胞可以在實驗室進行無限量的增殖，也可以生成一些類似器官的特異性細胞團，或者一些微型器官（類器官）。但在體外利用幹細胞生成完整的並具有功能性的器官以用於移植，仍然遙遙無期。想要跨過這個障礙，必須進行大膽的嘗試。
小鼠-大鼠胚胎試驗
中內教授的團隊希望可以借助動物的體內環境得到人類器官。為了應對這一挑戰，他們首先在小鼠和大鼠這兩種鼠科動物身上做了實驗，也就是，製造小鼠-大鼠混合胚胎。實驗過程如下：將大鼠的多能幹細胞注射到小鼠的胚泡（受精卵發育到第五天時，有100個細胞左右，呈泡狀，稱為胚泡）中。這些胚泡在代孕小鼠中繼續發育，出生後的小鼠體內產生了大量的大鼠胰腺細胞（胰島）。這些胰島雖然具有正常功能，然而問題是它們隻具有和小鼠匹配的大小，無法達到治療糖尿病大鼠的效果。
因此他們又進行了逆向實驗，如下圖所示，將小鼠多能幹細胞注射到經過轉基因處理的沒有胰髒的大鼠胚泡中，再將這些大鼠胚泡移植到代孕大鼠體內，出生的大鼠就含有小鼠幹細胞衍生出的胰髒細胞。這些胰島移植到糖尿病小鼠中後，宿主血糖水準穩定維持了超過370天。這些鼠科動物的數據有力地說明了在異種宿主間通過胚胎融合（稱為胚泡互補）進行治療疾病的潛力。
培養人類器官
鼠科動物研究中的成功經驗讓中內教授大膽提出了終極目標——利用相似技術在動物身上培養人類器官。然而，通過胚泡互補培養組織乃至器官仍然存在不少問題。首先，來自不同物種的殘留細胞將可能汙染供體器官。目前為止，研究僅限於在相似種類動物間進行，即都是齧齒類動物。大鼠和人類畢竟是差異甚大的不同物種，是否能夠得到人體適用的功能性胰島仍然存在疑問。
另外一個必須考慮的問題就是免疫排斥，在臨床上進行移植治療時，最棘手的問題就是免疫排斥。以往數據顯示，同種異體移植遠比自體胰島移植難度大，而異種移植顯然更加困難，50％-70％的胰島在異種移植後立即被超急性排斥破壞。儘管小鼠-大鼠胚胎試驗中，沒有發生這樣的過度急性反應，但是我們仍然擔心動物胚胎中產生的人類細胞再移植到患者體內後，人體能否順利接納或消除胰島中仍然存留的包括血管，基質等動物細胞。如果不能解決與這些異體細胞的共存問題，免疫排斥效應依然是這項研究在臨床應用上的難點。
除了實驗上的難點之外，大部分科學家仍然擔心這項研究會突破倫理道德界限。一些生物倫理學家擔心人體細胞可能會偏離目標器官的發育，前往發育中的動物的大腦並可能影響其認知，進而導致不明確生物體的出現。為此中內教授也稱，“在實驗設計中已經考慮到了這些問題。將進行有針對性的器官生成，細胞只能進入胰腺”。
離實際應用還有多遠？
除了異種動物之間的胚泡互補，中內教授還提出了另外的技術路線，即在患者之間或者患者-健康人之間進行更直接的臨床轉換。或者利用在進化方面與人類更為接近的豬或靈長類動物進行實驗，這樣產生的胰島與人類胰島在功能和免疫學上將更為相似。
按照以往經驗，讓人類細胞在另一個物種中生長並不容易。2018年，中內教授及其同事在德克薩斯州奧斯汀舉行的美國科學促進會會議上宣布，他們已將人類誘導性多能幹細胞置於綿羊胚胎中，然而這些胚胎無法產生胰島。生長28天后的雜交胚胎含有非常少的人體細胞，且沒有類似器官的東西。這可能是因為人與綿羊之間的遺傳距離。
使用進化上距離較遠的物種，進行人-動物雜交胚胎的相關研究困難重重。因此為了進一步推動人-動物胚胎雜交技術的發展，還需要對物種之間的基因和分子方面的理論基礎進行深入研究。為此，中內教授計劃在胚胎早期發育的不同階段試驗誘導性多能幹細胞，並嘗試一些轉基因誘導性多能幹細胞，以此確定到底是什麽限制了動物胚胎中人體細胞的生長。
另外，利用大型動物進行實驗，研究倫理方面存在更多顧慮，相關實驗應謹慎執行，進展應及時向主管部門匯報，民眾也應獲得一定的知情權。
作者 | [中]卓思 日本理化學研究所 研究員
審稿 | [中]陸修遠 大阪大學免疫前沿研究所 研究員
責編 | 高佩雯
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