中国科学家在猪体内培养胚胎人源肾脏达28天

 

·“我们的发现证明了在器官功能发生障碍的猪中培养人源化原始器官的可能性，为再生医学开辟了一条令人兴奋的途径，也为研究人类肾脏发育打开了一扇人工窗口。”

·“长期目标是优化这项技术以便用于人体器官移植，但这项工作将是复杂的，可能需要多年时间。由于器官由多种类型的细胞和组织组成，在猪身上培养一个功能齐全的人源器官还需要一些额外的步骤。”

异源器官移植是替代受损或衰竭器官的有效方法，但因器官严重短缺而受到限制。一个突破性的解决方案是，通过胚胎互补在其他大型哺乳动物身上产生人体器官，但它面临着许多挑战，尤其是人类细胞与受体组织的整合较差。

过去的研究已表明，通过胚胎与多能干细胞（PSCs）互补，产生种间嵌合体是一个有潜力的解决方案。科学家已经成功地在小鼠和大鼠之间生成了胰腺、胸腺和肾脏等器官。猪在生理学、器官大小以及胚胎发育方面与人类相似，因而是生成人类器官的良好“孵化器”。然而，由于人多能干细胞衍生细胞对猪组织的整体贡献较差，迄今为止尚未产生实体器官。

中国科学院广州生物医学与健康研究院的研究人员成功制造出包含人细胞和猪细胞的嵌合胚胎。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。这是科学家们第一次能够在另一个物种体内培养出一个实体人源器官。9月7日，相关论文刊登于细胞出版社（Cell Press）旗下期刊《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）上。

“我们的发现证明了在器官功能发生障碍的猪中培养人源化原始器官的可能性，为再生医学开辟了一条令人兴奋的途径，也为研究人类肾脏发育打开了一扇人工窗口。”研究人员在论文中写道。

研究人员之所以选择肾脏作为移植器官，是因为肾脏是最早发育的器官之一，也是人类医学中最常见的移植器官。

将人类干细胞整合到猪胚胎中一直是一个挑战，因为猪细胞比人细胞更具竞争力，而且猪细胞和人细胞有不同的生理需求。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说：“我们的方法改善了人细胞与受体组织的整合，使猪身上可以培养人类器官。”

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胚胎内的人源化肾细胞（红色荧光）与野生型猪胚胎对比。图片来源：论文

该团队的技术包括3个关键组成部分：

首先，研究人员利用CRISPR基因编辑技术对单细胞猪胚胎进行改造，使其缺失肾脏发育所需的两个基因，从而在猪胚胎中创造了一个空位，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（一种有潜力发展成任何细胞类型的细胞），通过暂时关闭细胞凋亡（指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡），使它们更容易整合，更不容易自我毁灭。然后，他们将这些细胞培养在一种特殊的培养基中，转化为类似于早期人类胚胎细胞的“天然”细胞。

第三，在将发育中的胚胎植入代孕母猪之前，研究人员在能为人细胞和猪细胞提供独特营养和信号的最优条件下培养了嵌合体，因为人细胞和猪细胞通常有不同的需求。

研究人员共将1820个胚胎移植给了13头母猪。在25天或28天后，他们终止妊娠并提取胚胎，以评估嵌合体是否成功地产生了人源肾脏。

研究人员收集了5个嵌合胚胎（植入后25天的2个和植入后28天的3个）进行分析，发现它们具有发育阶段结构正常的肾脏，并且由50%-60%的人类细胞组成。25-28天，肾脏进入中肾期（肾脏发育的第二阶段），形成了小管和细胞芽，这些最终将发育成连接肾脏和膀胱的输尿管。

该团队还研究了人类细胞是否在整个胚胎中对其他组织有影响，特别是猪仔的神经或生殖系组织中是否会发现大量的人类细胞，这可能具有伦理启示。他们发现，人细胞绝大部分位于肾脏，而胚胎的其余部分则由猪细胞组成。

“我们发现，如果在猪胚胎中创造一个空位，那么人细胞就会自然地进入这些空间。”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戴祯说，“我们在大脑和脊髓中只发现了很少的人类神经细胞，在生殖嵴（胚胎发育至4-5周时，在体腔背面肠系膜的基底部两侧，左右两侧各出现两个由体腔上皮增生所形成的隆起，统称为泌尿生殖嵴）中没有发现人细胞，这表明人类多能干细胞没有分化成生殖细胞。”研究人员说，通过敲除人类多能干细胞中的更多基因，可以进一步防止这种情况的发生，这可以在未来的研究中进行测试。

现在，研究人员已经优化了在人猪嵌合体中生长人源肾脏的条件，并希望能让肾脏发育更长的时间。他们还计划在猪身上培育其他人体器官，包括心脏和胰腺。

研究人员表示，长期目标是优化这项技术以便用于人体器官移植，但这项工作将是复杂的，可能需要多年时间。由于器官由多种类型的细胞和组织组成，在猪身上培养一个功能齐全的人源器官还需要一些额外的步骤。

进一步提高移植猪器官的存活率并不简单。在这项研究中，研究人员仅为一种细胞亚群创造了一个空位，这意味着肾脏中含有猪血管细胞，如果用于移植，可能会导致免疫排斥反应。此外，生理学上的显著种间差异仍可能导致功能障碍。

该论文通讯作者、中国科学院广州生物医学与健康研究院研究员Miguel a . Esteban说：“因为器官不仅仅是由一个细胞谱系组成的，为了让一个器官的一切都来自人类，我们可能需要用更复杂的方式来‘改造’猪，这也带来了一些额外的挑战。”

该技术还可用于研究人体器官的发育和发育性疾病。“在能制造可供临床使用的器官之前，这种方法为研究人类发育提供了一个窗口。”Esteban说，“你可以追踪注入的人类细胞并操纵它们，进而研究疾病和细胞谱系是如何形成的。”

研究人员在论文中指出，需要进一步的研究来阐明整合的人类细胞是否与野生型猪中肾的发育状态一致。优化人多能干细胞（外源因素、培养条件或注射程序）有可能促进嵌合，但这可能会导致对不理想谱系的贡献增加，因此需要仔细评估。例如，对胎盘等胚胎外组织的过度贡献可能会增加发育中胚胎的免疫排斥风险。为了指导整体优化过程，使用单细胞组学技术分析不同发育阶段器官发生障碍或野生型宿主胚胎内供体细胞的动力学将是有价值的。

2016年，英国广播公司（BBC）曾报道过相似的研究：美国加州大学戴维斯分校（UCD）繁殖生物学家帕布洛·罗斯（Pablo Ross）团队为解决人类可移植器官短缺的问题，试图通过CRISPR的基因编辑技术在一个新受精的猪胚胎中，删除可以发育成胰腺的DNA，将iPS（诱导性多能干细胞）植入猪胚胎，让它在猪体内发育成可供人类移植使用的胰腺。

这项研究在当时引发了巨大的伦理争议。美国埃默里大学（Emory University）伦理学中心神经伦理学项目主办的博客曾发文指出，少量人类干细胞可能会发生迁移并进入猪胚胎发育中的大脑，从而赋予后者一部分人类性状，尽管罗斯坚称，产生一个人类大脑的可能性非常低。

因对伦理问题的担忧，美国国立卫生研究院（NIH）拒绝资助这项研究。

（原标题：《细胞》子刊：中国科学家在猪体内培养胚胎人源肾脏达28天）