人—猴嵌合胚胎（紅色是人源細(xì)胞）   課題組供圖

4月15日，中外科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》上發(fā)表論文，宣布構(gòu)建了世界上首個(gè)人—猴嵌合體胚胎，也就是同時(shí)具有人源細(xì)胞和猴源細(xì)胞的胚胎。

“嵌合體”的英文是Chimera（奇美拉），原指希臘神話中一種獅頭、羊身、蛇尾的怪物。在現(xiàn)實(shí)中，科學(xué)家們?yōu)楹稳绱顺撩杂谥圃爝@種拼圖式的“怪物”呢？

“一些朋友聽到我們的工作后，常常驚呼太科幻、太可怕。”在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，論文第一和通訊作者之一、昆明理工大學(xué)教授譚韜有點(diǎn)哭笑不得，“但這真不是科學(xué)家的惡趣味，而是很有現(xiàn)實(shí)意義的研究工作。”

“遠(yuǎn)鄰不如近親”，為什么？

全球每年大概有200萬人亟待器官移植拯救生命，但目前器官的主要來源仍然是捐獻(xiàn)，缺口巨大。“很多病人，特別是年輕病人在等待中去世，十分令人痛惜。”譚韜說。解決這個(gè)問題的主要思路有三種：異種器官移植、類器官及3D打印、異種嵌合體。異種嵌合體的理想前景就是，讓動物身上長出真正可供移植的人類器官。

哪種動物適合為人類養(yǎng)器官呢？科學(xué)家首先想到的是豬。“豬的器官大小、發(fā)育速度、養(yǎng)殖成本都很合適，而且不像靈長類動物那樣涉及嚴(yán)峻的倫理問題。”譚韜解釋。

然而過去的研究顯示，包括豬和大小鼠等常用實(shí)驗(yàn)動物在內(nèi)，這些與人類親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的胚胎中人類細(xì)胞的嵌合度非常有限，幾乎不可能形成真正的人類器官。

2017年1月，美國索爾克生物研究所研究員吳軍 (現(xiàn)任美國西南醫(yī)學(xué)研究中心助理教授) 等人宣布成功培育出首個(gè)人—豬嵌合體胚胎，并在豬體內(nèi)發(fā)育了3到4周時(shí)間。然而這些胚胎的嵌合效率很低，“我猜測每10萬個(gè)豬細(xì)胞中可能只有不到1個(gè)人類細(xì)胞。”吳軍說。

他們試圖探討這其中的機(jī)制。今年年初，吳軍聯(lián)合國內(nèi)多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了一種奇妙現(xiàn)象：小鼠早期胚胎可以利用細(xì)胞競爭機(jī)制“殺死”外來的人類干細(xì)胞，從而導(dǎo)致人—鼠嵌合胚胎的嵌合率低下。這種現(xiàn)象與物種親緣關(guān)系顯著相關(guān)，因?yàn)橛H緣關(guān)系較近的物種，如大小鼠之間、人猴之間就不存在明顯的干細(xì)胞競爭。

在中國科學(xué)院院士季維智的帶領(lǐng)下，昆明理工大學(xué)的譚韜、牛昱宇、代紹興等人和索爾克生物研究所的胡安·卡洛斯·伊茲皮蘇亞·貝爾蒙、吳軍等人達(dá)成了合作，希望通過研究人類細(xì)胞在早期靈長類胚胎中的嵌合過程，找到提高人類細(xì)胞在遠(yuǎn)緣物種中嵌合效率的方法。

人和猴的細(xì)胞有哪些交流暗號？

研究人員將人擴(kuò)展多能性干細(xì)胞（人EPS細(xì)胞）注射到超過150個(gè)食蟹猴的早期囊胚中。利用研究組新近開發(fā)的猴子胚胎體外培養(yǎng)體系，這些胚胎的存活時(shí)間達(dá)到了20天，這是目前猴子胚胎體外培養(yǎng)能達(dá)到的極限時(shí)長。

此時(shí)嵌合體胚胎已經(jīng)進(jìn)入了原腸運(yùn)動時(shí)期，也就是囊胚開始出現(xiàn)外胚層、中胚層和內(nèi)胚層的分化。在外、中、內(nèi)3個(gè)胚層中，科研人員都觀察到了嵌合現(xiàn)象。但這些胚胎并未進(jìn)行體內(nèi)移植實(shí)驗(yàn)，由此也規(guī)避了一些可能存在的倫理爭議。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類細(xì)胞在食蟹猴胚胎中的嵌合效率大概在4%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過之前的人—豬嵌合胚胎。

“我們意識到，不同物種之間的嵌合過程的確存在很大不同。比如人EPS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細(xì)胞，這一現(xiàn)象與之前的人—鼠嵌合體實(shí)驗(yàn)存在明顯差異。”譚韜說。

更令他們驚嘆的是，隨著人的細(xì)胞注入，猴子胚胎本身的細(xì)胞在表達(dá)特征上變得像人的細(xì)胞，同時(shí)人細(xì)胞也發(fā)生了相似的轉(zhuǎn)變，變得像猴子細(xì)胞。相較于人胚胎的正常發(fā)育過程，人—猴嵌合體胚胎的發(fā)育進(jìn)程變慢了。

“這很有趣。”吳軍說，“這表明人細(xì)胞和猴細(xì)胞雖然在早期發(fā)育過程中存在差異，但細(xì)胞之間可能存在跨物種細(xì)胞協(xié)同，從而有助于人細(xì)胞在猴胚胎中的分化和存活。”他們進(jìn)而篩選出許多可能與這些過程有關(guān)的細(xì)胞信號通路，并期待在未來的研究中可以通過調(diào)節(jié)這些信號通路來改善人類細(xì)胞在豬或其他遠(yuǎn)緣物種胚胎中的嵌合度。

“這項(xiàng)工作為通過異種嵌合來實(shí)現(xiàn)器官再生提供了理論證據(jù)。與之前工作對比，也指出了種屬間的差異是異種嵌合的主要障礙。”未參與這項(xiàng)研究的中科院動物研究所研究員李偉表示，“如果能夠借助這個(gè)平臺更好理解導(dǎo)致異種嵌合成功與失敗的主要調(diào)控機(jī)制，有可能為異種嵌合實(shí)現(xiàn)器官再生提供新的理論指導(dǎo)和技術(shù)策略。”

人—猴嵌合背后，是科學(xué)家的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合

首個(gè)人—猴嵌合體胚胎的誕生，離不開近年來相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，以及國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的布局和積淀。

這項(xiàng)工作中使用的人EPS細(xì)胞，來自北京大學(xué)教授鄧宏魁課題組于2017年發(fā)表的新型多能干細(xì)胞系。與常規(guī)的人多能干細(xì)胞（hPS細(xì)胞）相比，這種細(xì)胞的嵌合能力和發(fā)育潛能更高。昆明理工大學(xué)新近開發(fā)的猴子胚胎體外培養(yǎng)體系也扮演了重要角色。

此前，人與靈長類動物的嵌合研究受技術(shù)、經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)條件和倫理規(guī)范所限，開展得相對較少。好在昆明理工大學(xué)于2014年建立的靈長類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院在靈長類動物生殖發(fā)育研究上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；胡安·卡洛斯和吳軍則是嵌合體研究領(lǐng)域的知名學(xué)者——“雙方的優(yōu)勢互補(bǔ)讓人—猴嵌合體胚胎成為了可能。”譚韜說。