中外科學(xué)家首次構(gòu)建了由人類細(xì)胞和非人靈長(zhǎng)類細(xì)胞共同組成的胚胎，實(shí)驗(yàn)在這些胚胎體外存活19天時(shí)終止。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月15日，頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了省部共建非人靈長(zhǎng)類生物醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/昆明理工大學(xué)靈長(zhǎng)類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院、美國(guó)索爾克生物研究所共同完成的一項(xiàng)研究，題為“Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo ”。研究人員將人類干細(xì)胞注入食蟹猴胚胎，并能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)培育嵌合胚胎，為發(fā)育生物學(xué)和進(jìn)化提供新的視角。與此同時(shí)，該研究也引發(fā)了廣泛的倫理討論。

該研究的通訊作者為美國(guó)索爾克生物研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte教授和吳軍研究員（現(xiàn)為得克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心助理教授）、昆明理工大學(xué)靈長(zhǎng)類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院譚韜教授、牛昱宇教授和季維智院士。譚韜及其課題組博士生張又月、吳軍、牛昱宇課題組博士生司晨洋、生物信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)負(fù)責(zé)人代紹興為該論文的并列第一作者。

紅色部分為人體細(xì)胞

“因?yàn)槲覀儫o(wú)法在人體上進(jìn)行某些類型的實(shí)驗(yàn)，那就必須有更好的模型更準(zhǔn)確地研究和理解人類生物學(xué)和疾病?！盜zpisua Belmonte說(shuō)，“實(shí)驗(yàn)生物學(xué)的一個(gè)重要目標(biāo)是發(fā)展模型系統(tǒng)，以便在活體條件下研究人類疾病?！?/p>

昆明理工大學(xué)靈長(zhǎng)類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院針對(duì)該研究的新聞稿則寫道，該研究回答了異種嵌合細(xì)胞如何互作及發(fā)育程序差異如何調(diào)節(jié)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，為解決異種嵌合效率低下等問(wèn)題提供新的思路，對(duì)器官再生研究具有指導(dǎo)意義。

人類細(xì)胞與獼猴細(xì)胞的嵌合體

科學(xué)界對(duì)種間嵌合體的研究早已開始。20世紀(jì)70年代，哺乳動(dòng)物的種間嵌合體開始出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)首先在嚙齒類動(dòng)物身上產(chǎn)生，用于研究早期發(fā)育過(guò)程。

近年來(lái)，大動(dòng)物中的異種嵌合也取得了一系列的突破性進(jìn)展。例如，Izpisua Belmonte和吳軍等人在2017年1月發(fā)表于《細(xì)胞》上的一項(xiàng)研究顯示，他們實(shí)現(xiàn)了人干細(xì)胞在豬早期胚胎中的嵌合。2019年12月，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所和中國(guó)科學(xué)院干細(xì)胞與再生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究院周琪院士、李偉和海棠研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Protein ＆ Cell雜志上的一項(xiàng)研究顯示，他們首次拿到了食蟹猴-豬嵌合體，創(chuàng)造出世界上第一個(gè)“豬猴混合體”生物，在出生后一周內(nèi)死亡。2020年12月，吳軍等人在《細(xì)胞-干細(xì)胞》雜志上發(fā)表的研究還顯示，他們生成世界首例馬鼠嵌合胚胎。

這些研究為下一步嵌合體的研究帶來(lái)了新的方向，比如異種之間進(jìn)化差異在嵌合體中如何互相影響，細(xì)胞之間互作、通訊及競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系等等。

2019年，季維智等人則取得了使這項(xiàng)最新研究成為可能的進(jìn)展。當(dāng)年10月31日，譚韜、牛昱宇和季維智團(tuán)隊(duì)與美國(guó)索爾克生物研究所、深圳華大生命科學(xué)研究院等單位合作在《科學(xué)》雜志（Science）在線發(fā)表研究成果“Dissecting primate early post-implantation development using long-term in vitro embryo culture”。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了食蟹猴胚胎體外20天的培養(yǎng)，培養(yǎng)胚胎呈現(xiàn)出了與體內(nèi)發(fā)育胚胎高度一致的形態(tài)學(xué)與基因表達(dá)特征。

在這項(xiàng)最新的研究中，研究人員先從猴子體內(nèi)分離出了受精卵，在培養(yǎng)皿里生長(zhǎng)6天后，向132個(gè)猴子胚胎注射了人類的擴(kuò)展多能干細(xì)胞（hEPS，能在胚胎內(nèi)外生長(zhǎng)成不同的細(xì)胞類型）。

通過(guò)免疫熒光研究，即抗體與熒光標(biāo)記的干細(xì)胞結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)觀察到，人類干細(xì)胞存活了下來(lái)，并且與之前在豬組織中的實(shí)驗(yàn)相比，整合的相對(duì)效率更高。論文數(shù)據(jù)顯示，1天后，研究人員在132個(gè)胚胎中檢測(cè)到人類細(xì)胞。10天后，103個(gè)嵌合胚胎仍在發(fā)育。但存活率很快開始下降，到了第19天，只有3個(gè)嵌合體還活著。

然而，重要的是，在胚胎繼續(xù)生長(zhǎng)的過(guò)程中，人類細(xì)胞的比例仍然很高。

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究評(píng)估了人擴(kuò)展多能性干細(xì)胞（hEPS）在食蟹猴中的嵌合能力。揭示了hEPS可以嵌合進(jìn)入食蟹猴胚胎，并可以伴隨著胚胎發(fā)育進(jìn)入原腸運(yùn)動(dòng)，表達(dá)中胚層、內(nèi)胚層的marker基因；hEPS細(xì)胞很難在食蟹猴胚胎中分化為滋養(yǎng)層細(xì)胞，而較容易分化為上胚層（EPI）細(xì)胞，這一發(fā)現(xiàn)與hEPS細(xì)胞人鼠嵌合體實(shí)驗(yàn)存在一定的差異。

Izpisua Belmonte說(shuō)，“這些嵌合方法對(duì)推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)研究非常有用，不僅在生命的最早期，而且在生命的晚期。”

為了確定這項(xiàng)最新研究中兩個(gè)物種細(xì)胞之間的分子通訊途徑，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合單細(xì)胞RNA測(cè)序等技術(shù)分析了嵌合轉(zhuǎn)錄組。他們觀察到，來(lái)自嵌合組織的細(xì)胞具有不同于對(duì)照的轉(zhuǎn)錄組特征，并檢測(cè)到在嵌合細(xì)胞中有幾條增強(qiáng)或新的通訊通路。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，hEPS隨著發(fā)育的進(jìn)行，從表達(dá)特征上逐漸與受體食蟹猴胚胎細(xì)胞變得相似。通過(guò)細(xì)胞互作分析，揭示了人猴在諸如EPI細(xì)胞之間存在的特異的互作關(guān)系，例如FGF5-FGFR4，同時(shí)受體猴胚胎細(xì)胞本身之間的細(xì)胞互作也增強(qiáng)了，主要涉及PI3K-Akt 和MAPK等信號(hào)家族；hEPS在嵌合體胚胎中的發(fā)育進(jìn)程顯著慢于正常發(fā)育的人和食蟹猴胚胎。同樣可能與PI3K-Akt 和MAPK信號(hào)通路的改變有密切關(guān)系。

“從歷史上看，人與動(dòng)物嵌合體一直受到效率低下和人類細(xì)胞與宿主物種融合的困擾。”Izpisua Belmonte說(shuō)，“人類和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的嵌合體在進(jìn)化時(shí)間軸上，比所有其他物種更接近人類，它能讓我們更好地了解進(jìn)化是否強(qiáng)加給嵌合體世代障礙，以及我們是否有辦法克服這些障礙?！?/p>

Izpisua Belmonte解釋說(shuō)，“通過(guò)這些分析，我們?cè)谇逗象w細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了幾種新的或加強(qiáng)的溝通途徑。了解哪些途徑參與了嵌合體細(xì)胞的通訊，將使我們有可能加強(qiáng)這種通訊，并提高那些在進(jìn)化上離人類很遠(yuǎn)的宿主物種的嵌合效率?！?/p>

科學(xué)研究需求和倫理挑戰(zhàn)

為什么要進(jìn)行此類研究？吳軍此前在接受澎湃新聞（www.loaarchitects.com.cn）記者采訪時(shí)曾表示，人類器官移植、探索發(fā)育生物學(xué)中未知奧秘等都迫切需要這類研究。

從器官移植角度來(lái)說(shuō)，世界衛(wèi)生組織（WHO）估計(jì)，現(xiàn)在每年進(jìn)行的13萬(wàn)例器官移植手術(shù)僅占實(shí)際需求的10%，而可用器官極為短缺。研究人員希望在與人類器官大小、生理和解剖結(jié)構(gòu)相似的豬組織中培養(yǎng)人類細(xì)胞能夠緩解這一問(wèn)題。

吳軍對(duì)澎湃新聞?dòng)浾弑硎?，人類器官移植是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)很重要的發(fā)展，通過(guò)將生病壞死的器官移除，用健康有活力的器官替代，可以使有生命危險(xiǎn)的病人再次獲得生機(jī)?！爱?dāng)前社會(huì)背景下，器官移植最重要的制約不是技術(shù)，而是器官來(lái)源。器官需要在離開母體一定時(shí)間內(nèi)重新移入新的生命體內(nèi)才有可能存活，而大多數(shù)意外死亡事件必須在生前簽訂捐贈(zèng)協(xié)議，并且個(gè)體沒(méi)有重大疾病，這些苛刻的條件使我們很難獲得可以更換的器官來(lái)源?！?/p>

吳軍當(dāng)時(shí)即提到，“我的理想之一是希望通過(guò)干細(xì)胞技術(shù)，獲取有功能性的獨(dú)立的人體器官，從而為需要器官移植的患者提供合法有效的器官來(lái)源。當(dāng)然，這個(gè)只是終極目標(biāo)，這條路目前看起來(lái)還任重道遠(yuǎn)，我們的研究只是為這些未來(lái)打開了一扇門，更多的研究需要世界各國(guó)的科學(xué)研究者們共同努力?！?/p>

吳軍等人此前將人類細(xì)胞整合到早期豬組織中，標(biāo)志著在使用大動(dòng)物生產(chǎn)可移植人體器官方面邁出了第一步。但人類細(xì)胞的比例相當(dāng)?shù)?，這可能是由于兩個(gè)物種之間的巨大進(jìn)化距離（9000萬(wàn)年）。

所以研究團(tuán)隊(duì)開始研究一種更接近的物種——獼猴的嵌合體形成。Izpisua Belmonte如此形象地表示，“人類細(xì)胞在豬組織類似于細(xì)胞試圖找到中文和法語(yǔ)之間的共同點(diǎn)，而人類細(xì)胞在獼猴操作更像是兩個(gè)緊密相關(guān)的語(yǔ)言，如西班牙語(yǔ)和法語(yǔ)。”

雖然這些與獼猴的嵌合體不會(huì)被用于人體器官移植，但它們揭示了關(guān)于人類細(xì)胞如何發(fā)育和整合，以及不同物種的細(xì)胞如何通訊的寶貴信息。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，研究人員不僅希望利用嵌合體研究早期人類發(fā)育、設(shè)計(jì)疾病模型，而且希望找到篩選新藥以及產(chǎn)生可移植細(xì)胞、組織或器官的新方法。

這些研究為研究特定疾病如何發(fā)生提供了一個(gè)新的平臺(tái)。例如，一個(gè)可能與某種癌癥有關(guān)的特定基因可以在人類細(xì)胞中被改造。然后，在嵌合模型中使用這些工程細(xì)胞觀察疾病進(jìn)展的過(guò)程，可能會(huì)比典型的動(dòng)物模型顯示出更適用的結(jié)果，在動(dòng)物模型中疾病可能形成不同的進(jìn)程。

嵌合疾病模型也可用于測(cè)試藥物化合物的功效，并獲得同樣能更好地反映人類反應(yīng)的結(jié)果。

嵌合體還可以為衰老研究提供獨(dú)特見解。Izpisua Belmonte表示，研究人員尚不清楚是器官衰老的速度相同，還是某個(gè)器官驅(qū)動(dòng)其他所有器官衰老，并充當(dāng)衰老過(guò)程的總開關(guān)。例如，利用嵌合作用，在壽命較長(zhǎng)的物種(如裸鼴鼠)體內(nèi)生長(zhǎng)普通小鼠的器官，科學(xué)家們可以開始探索哪些器官可能是衰老的關(guān)鍵，哪些信號(hào)參與了它們的生存。

該研究下一步的重點(diǎn)是更詳細(xì)地評(píng)估參與種間通訊的所有分子途徑，并找出對(duì)發(fā)育過(guò)程至關(guān)重要的途徑。

當(dāng)然，不可忽視的一點(diǎn)是，《細(xì)胞》同期發(fā)表的評(píng)論文章以及《自然》網(wǎng)站的新聞稿件等都關(guān)注了構(gòu)建人類/非人靈長(zhǎng)類嵌合體的潛在倫理考慮。

“在這個(gè)領(lǐng)域，還有更多更合理的實(shí)驗(yàn)，把銀身獸作為器官和組織的來(lái)源。”西班牙龐培法布拉大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Alfonso Martinez Arias對(duì)《自然》表示，用豬和牛等家畜做實(shí)驗(yàn)“更有希望，而且不會(huì)挑戰(zhàn)倫理界限”。他說(shuō)道，“還有一個(gè)完整的類器官領(lǐng)域，有希望擺脫動(dòng)物研究?！?/p>

Martinez Arias還補(bǔ)充道，“我希望有更好的證據(jù)，特別是關(guān)于發(fā)展的后期階段?！迸咛?shù)量在接近發(fā)育第15天時(shí)迅速下降，這在他看來(lái)“情況很糟糕”。

將人類細(xì)胞與密切相關(guān)的靈長(zhǎng)類胚胎結(jié)合在一起，這也引發(fā)了有關(guān)嵌合體地位和身份的問(wèn)題。美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的生物倫理學(xué)家Insoo Hyun說(shuō)，“有些人可能會(huì)認(rèn)為，你在那里創(chuàng)造了道德上模糊不清的實(shí)體?！?/p>

他同時(shí)表示，這項(xiàng)最新研究的研究團(tuán)隊(duì)完全遵循了現(xiàn)有的指導(dǎo)方針，“我認(rèn)為，他們?cè)陉P(guān)注監(jiān)管和道德問(wèn)題方面做了相當(dāng)多的應(yīng)有的注意。”

Izpisua Belmonte本人則指出，“作為科學(xué)家，我們有責(zé)任進(jìn)行深入研究，并遵循所有的道德、法律和社會(huì)準(zhǔn)則?！彼€說(shuō)，在開始這項(xiàng)工作之前，他們就在機(jī)構(gòu)層面，以及通過(guò)與第三方生物倫理學(xué)家接觸進(jìn)行了倫理咨詢和審查?！斑@種徹底而詳細(xì)的過(guò)程幫助指導(dǎo)了我們的實(shí)驗(yàn)。”