在猪身上培育出“人肾”，中国科学家率先做到了！

健康

2023-09-17 12:09

器官移植的供体严重短缺是全球性问题。在异种动物体内培育人源器官，或是解决途径之一。

撰文 | 燕小六

根据国际学术期刊《细胞·干细胞》近日文章，在全球范围内，中国科学家率先于猪胚胎中，培育出源于人细胞的肾脏。此前，有类似研究在猪体内，培养出血液、骨骼肌等人体组织。

四川省人民医院器官移植研究所副所长、基因工程猪专家潘登科告诉“医学界”，该研究解决了嵌合体技术中两大难点。第一，通过基因敲除、培育肾脏缺陷胚胎，给“人源细胞”生长形成空位。第二，提升异种间嵌合率，培育出含有较高比例人源细胞的肾脏。

根据研究团队、中国科学院广州生物医药与健康研究院（以下简称广州健康院）官网，及多方信息，器官移植的供体严重短缺是全球性问题。在异种动物体内培育人源器官，或是解决途径之一。

《我国活体肾移植的现状与思考》显示，我国透析患者在过去10年不断增加。但移植数量赶不上新增患者需求，2019年全国肾脏移植受者共12,124人。另一项调查显示，在我国终末期肾病患者中，能接受肾移植的比例不足实际需求2%。

美国是器官移植大国，现有10余万人在等待肾源，每天约有13人在等待中逝去。今年7月中旬，美国纽约大学朗格健康中心给一位脑死亡者植入“基因编辑猪”的肾脏。该枚猪肾植入人体后的观察期长达61天，创下全球“最长存活”纪录。

图片来源于Cell Press

基因编辑+培育，养出嵌合胚胎

“我们花了5年时间。”在本次广州健康院研究中，通讯作者之一、该院研究员Miguel Esteban如是告诉媒体。

据报道，该研究有一系列关键步骤。首先，研究小组对单细胞猪胚胎进行基因编辑，敲除两个形成肾脏所必需的基因。通俗理解，就是让实验猪先天“缺肾”。研究小组将这种生态位缺乏，形容为“巢/空位”（niche）。按照研究设计，人源供体细胞会“植入巢中”、填充空缺，从而长出人源细胞发育成的肾脏。

其次，研究小组利用人类成体细胞，分化、形成诱导性多能干细胞（iPSC）。理论上，此类细胞能分化成任一细胞类型。研究小组对iPSC也做了基因改造，暂时关闭凋亡功能，使其更易和异种细胞嵌合。

再次，在猪胚胎发育至桑葚胚、早期囊胚时期，注入一定数量的人源供体细胞，构建出嵌合胚胎。然后，将之养在等比例混合的胚胎培养基和干细胞培养基中，以同时滋养人源细胞和猪细胞。

培养24小时后，嵌合胚胎被植入代孕母猪体内。按照《细胞·干细胞》文章，共13只代孕母猪、植入1820个胚胎。

基于伦理规定及国际惯例，代孕猪在胎龄3-4周时终止妊娠。研究小组收集5只嵌合猪胚胎，包括2枚植入后25天的和3枚植入后28天的。分析显示，嵌合胚胎的肾脏均进入发育第二阶段，即“中肾期”。其发育阶段结构正常，形成肾小管和细胞芽。假以时日，后者将发育成连接肾脏和膀胱的输尿管。

针对特定基因的免疫荧光染色结果表明，在这些嵌合胚胎的中肾内，人源细胞占比最高可达70%；人源细胞参与形成的中肾小管占比最高达58%。这是过往同类研究没有达到过的高水平。

人-动物嵌合体难在哪儿？

数十年前，科学家们就开始在实验室里创造嵌合胚胎。1984年，《自然》报道英国团队培育出山羊-绵羊嵌合体。它被命名为“geep”（goat和sheep的结合）。

2010年，日本科学家成功培育出小鼠-大鼠嵌合体，在小鼠体内嵌合产生大鼠细胞来源的胰腺。后者能在小鼠体内行使生理功能，将小鼠血糖维持在正常范围内。

2021年4月15日，一支中美联合团队在《细胞》发文，称在体外培养出人-猴嵌合体胚胎。美国《连线》杂志揭秘，更早的人-猴嵌合体胚胎或能追溯至2017年，由中、美、西班牙学者共同完成。

人-猪嵌合体胚胎也有先例。2017年，时任美国加州索尔克生物研究所研究员的吴军携团队，完成了全球首例。最终结果显示，人-猪嵌合体胚胎的异种嵌合率不高，约每10万个猪细胞中有1个人源细胞。不同组织和器官的嵌合度存在差异，比如心脏和肌肉嵌合度要高于其他组织。

其中原因多样。包括异种细胞发育快慢不一致，可能存在你死我活的竞争关系。人与猪在进化关系上相距较远，后者细胞的竞争力就远胜人源细胞，导致嵌合体中的人源细胞迅速死亡。有时，人源干细胞的分化能力不足，在异种动物胚胎内也会出现生存能力低下。

此外，器官需要发育空间。“如果已经有个肾脏，很难再长出个新的，没有地方。”《连线》援引美国加州大学戴维斯分校干细胞生物学家Paul Knoepfler发言表示。

吴军现供职于美国得克萨斯大学达拉斯西南医学中心分子生物学系。他表示，广州健康院研究突破上述瓶颈，提高了人源细胞的竞争力，“在异种胚胎中占比约60%，是很了不起的。”

养出“异种人器官”，仍很遥远

广州健康院在相关新闻里指出，选择培育肾脏，因为它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。

“通过该途径获得的人源化器官不仅具有更全面的细胞类型和更完善的器官结构、功能，而且由于供体细胞来源于患者自体，将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。”另一通讯作者、广州健康院研究员赖良学表示。

潘登科多年从事异种器官移植方向基因工程猪研究，其工作重点就是基因编辑改造，以降低移植物排斥反应。“我和赖教授的研究或能有效结合，从多个路径解决移植器官短缺问题。”

潘登科介绍，如今，基因编辑的针对性越来越强，已经能非常好地克服异种器官移植的排斥反应。

基因编辑猪的养殖理念和技术也不断优化。潘登科等人在四川内江建设了一个基因编辑猪的生物安全设施。经过病原微生物筛选、剖腹产等方式净化猪表面的微生物，可以做到“超洁净级猪”。全球现已完成多例基因编辑猪的供体器官移植，通过净化饲养可以解决病原微生物跨物种传播。

潘登科认为，在基因编辑低免疫原性猪的基础上，可以完成人源细胞嵌合。由此培育出有一定人源细胞嵌合的排斥反应小、生理功能更加匹配的人源器官。

这一漫长的科研征程存在一系列待突破、解决的难题。首当其冲的是复杂的伦理困境。

一方面，在动物体内培育人器官，那人源细胞在其中所占比例是关键参数。在广州健康院的研究中，猪胚胎的肾脏由50%-60%的人源细胞组成。这枚肾脏若继续发育，或会形成猪血管，植入人体会引起排异反应。

另一方面，人源细胞在动物胚胎中占较高比例，可能会在发育过程中参与到其他器官发育中，如神经系统或生殖系统等。广州健康院研究观察到，极少量人源细胞进入猪胚胎的大脑和脊髓，在生殖嵴中没有看到。

《科技日报》过往报道指出，生殖细胞和神经细胞是人-动物嵌合体的伦理界限。人们不希望嵌合后的动物体内有人源生殖细胞和神经细胞，尤其是嵌合体的大脑不能来源于人类。

潘登科告诉“医学界”，上述担忧将来可以通过技术解决。“我们能植入某个基因限定细胞特殊分化，一旦人源细胞进入神经或生殖系统，相关基因就会启动自杀程序。”

广州健康院也表示，敲除人类多能干细胞中的更多基因，能进一步防止这种情况发生。未来研究或将就此展开测试。

还要注意的一点是，截至目前的人-动物嵌合体研究都处于发育早期，能否继续正常发育、具备与人器官相似的功能性，尚未可知。潘登科指出，这是国家伦理要求，人源早期干细胞在异种之间的培育不能超过28天。在这个时间范围内，仅能看到初具器官的胎儿。

日本已经迈出关键性一步。2019年，该国修订法案，允许人-鼠嵌合体足月出生。根据《自然》文章报道，这种嵌合鼠的胰腺将由人源细胞发育组成。根据《中华移植杂志》2019年的一篇文章，日本器官移植来源短缺问题甚于中国，这是促使其大力研究异种嵌合来源器官的一大原因。

广州健康院官网信息显示，研究小组优化了在人-猪嵌合体中生长人源肾脏的条件，未来希望能让肾脏发育更长时间。他们还计划在猪身上，培育心脏和胰腺等其他人源器官。

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来源：医学界

责编：徐李燕

编辑：赵静

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