升龍
含有不同物種來(lái)源細(xì)胞的胚胎,被稱為“嵌合體胚胎”。這聽起來(lái)像是邪惡科學(xué)家的瘋狂念頭;但實(shí)際上,不少科學(xué)家都希望,能用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)解決一個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題——器官移植。
有大量的患者在等待器官移植手術(shù),僅在中國(guó),每年就有高達(dá)30萬(wàn)例器官移植的需求。然而,現(xiàn)有的器官捐獻(xiàn)遠(yuǎn)不能滿足這一需求??茖W(xué)家正在探究一些替代方法,例如3D打印、在體外培養(yǎng)類器官、直接從其他動(dòng)物身上移植器官,或是讓嵌合體動(dòng)物“長(zhǎng)出”人的器官。如果能讓豬長(zhǎng)出人的心臟,那么這枚心臟用于移植時(shí),引起的排異反應(yīng)可能比直接使用豬心臟時(shí)少得多。
小鼠胚胎長(zhǎng)出了大鼠的心臟
從左到右依次是:小鼠,與大鼠嵌合后的小鼠,與小鼠嵌合后的大鼠,大鼠。
在嚙齒動(dòng)物身上,這個(gè)理論已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。2010年,東京大學(xué)的中內(nèi)啟光團(tuán)隊(duì)制造了大鼠-小鼠嵌合體,讓小鼠長(zhǎng)出了大鼠的胰腺,而且這些胰腺能夠分泌胰島素。
但要產(chǎn)生可用于人的器官,這項(xiàng)技術(shù)才剛剛起步。
過(guò)去幾年,國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)曾嘗試制造人-豬胚胎、人-羊胚胎等,效果都不甚理想。例如2017年的人-豬胚胎研究中,只有約12%的嵌合體胚胎能夠繼續(xù)發(fā)育,而且人細(xì)胞在全部細(xì)胞中的占比不足0.001%。這可能是因?yàn)樨i、羊與人的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。
想要了解人細(xì)胞在嵌合體胚胎中發(fā)生了什么、如何才能提高嵌合成功率,研究者猜測(cè),我們或許能從人-靈長(zhǎng)類動(dòng)物嵌合體胚胎中得到啟發(fā)。
人-猴胚胎的產(chǎn)生,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),就是將人的多能干細(xì)胞注射進(jìn)體外培養(yǎng)的食蟹猴胚胎中。理論上來(lái)說(shuō),多能干細(xì)胞具有和胚胎干細(xì)胞一樣的分化潛能,能夠分化成為所有組織和器官。
作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的食蟹猴
嵌合體胚胎在體外培養(yǎng)不同階段的圖片
在本次實(shí)驗(yàn)中,研究者在每一個(gè)體外受精、發(fā)育到第6天的食蟹猴胚胎中,注射了25枚人的多能干細(xì)胞。注射1天后,全部132枚猴胚胎中都出現(xiàn)了人來(lái)源的細(xì)胞。胚胎發(fā)育到第10天,仍有111枚嵌合體胚胎能正常生長(zhǎng)。隨著時(shí)間推移,嵌合體胚胎的存活率逐漸降低,并在第15天銳減。第19天,僅有3枚嵌合體胚胎存活,這也是目前體外培養(yǎng)食蟹猴胚胎技術(shù)的極限。第20天,所有胚胎死亡,胚胎體外培養(yǎng)至此結(jié)束。
除了存活率提升之外,人細(xì)胞在人-猴胚胎中的占比也達(dá)到了2%~7%,且在上胚層和下胚層中均有出現(xiàn)。上胚層與下胚層是囊胚(胚胎早期的一個(gè)階段)的兩個(gè)結(jié)構(gòu);隨著胚胎發(fā)育,這兩部分細(xì)胞將進(jìn)一步發(fā)展為外胚層、中胚層、內(nèi)胚層等,最終分化產(chǎn)生動(dòng)物體的全部器官。
也就是說(shuō),如果后續(xù)有人繼續(xù)培養(yǎng)甚至移植人-猴胚胎,讓它們最終出生,那么嵌合體小猴子體內(nèi)的各處器官,可能都存在著來(lái)源于人的細(xì)胞。
在這項(xiàng)研究中,人-猴嵌合體胚胎只培養(yǎng)到第20天,避免了更大的倫理問(wèn)題。論文第一作者、昆明理工大學(xué)生物學(xué)教授譚韜表示,他們沒(méi)有移植胚胎的計(jì)劃,至于是否要繼續(xù)培養(yǎng)胚胎,也還需要后續(xù)廣泛的討論和倫理論證。
制造“半人半動(dòng)物”的胚胎,是極大的倫理挑戰(zhàn)。為了規(guī)范這類實(shí)驗(yàn),不少國(guó)家制定了相應(yīng)的規(guī)范,但目前各國(guó)的規(guī)范各不相同。
按照美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的規(guī)定,有關(guān)人-靈長(zhǎng)類動(dòng)物嵌合體胚胎的實(shí)驗(yàn)無(wú)法得到他們的資金支持;2015年,他們又宣布暫停資助人-非靈長(zhǎng)類動(dòng)物嵌合體胚胎的研究。
日本則相反,他們?cè)?019年放開了管制。原本,含有人細(xì)胞的動(dòng)物胚胎不能培養(yǎng)超過(guò)14天。但隨著新規(guī)出臺(tái),在科學(xué)合理且必要的條件下,嵌合體胚胎不僅可以在14天后繼續(xù)培育,而且允許被移植到代孕動(dòng)物體內(nèi),但不能與人的生殖細(xì)胞進(jìn)行任何結(jié)合。
當(dāng)嵌合體胚胎遇到靈長(zhǎng)類動(dòng)物時(shí),問(wèn)題則變得更復(fù)雜——由于親緣關(guān)系更近,人猴胚胎的嵌合更有可能成功;但也由于親緣關(guān)系更近,靈長(zhǎng)類動(dòng)物可能具有更高級(jí)的智慧和情緒,涉及它們的實(shí)驗(yàn)總是要顧及更多倫理因素。
譚韜表示,他們的這項(xiàng)研究是按照國(guó)家法規(guī)要求來(lái)進(jìn)行的。在我國(guó),嵌合體胚胎的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有被禁止,但需要經(jīng)過(guò)倫理審批。本研究是和美國(guó)的索爾克生物研究所合作的,在研究的前期、中期和結(jié)束后,中國(guó)和美國(guó)方面都對(duì)研究的科學(xué)性和倫理進(jìn)行了數(shù)輪咨詢和審查。
如果以“嵌合體胚胎是否繼續(xù)發(fā)育”為標(biāo)準(zhǔn),這次的人-猴胚胎沒(méi)有踩到倫理的紅線。這些胚胎從受精起就只在體外培養(yǎng),而且只培養(yǎng)到第20天。通訊作者之一、美國(guó)索爾克生物研究所的胡安·卡洛斯·伊斯皮蘇亞·貝爾蒙特表示,他們的目標(biāo)不是制造任何怪物,他們也沒(méi)有這么做。
嵌合體的英文chimera來(lái)源于古希臘,是一種上半身像獅子、中間像山羊、下半身像毒蛇的會(huì)噴火的怪物。
另一位通訊作者、昆明理工大學(xué)的生物學(xué)教授牛昱宇則表示:“我們的整個(gè)實(shí)驗(yàn)是在體外進(jìn)行的,沒(méi)有進(jìn)入體內(nèi)。體外培養(yǎng)就像培養(yǎng)細(xì)胞一樣,不會(huì)產(chǎn)生個(gè)體。對(duì)我們的工作來(lái)說(shuō),這是一個(gè)重要的倫理界限?!?p>
胡安·卡洛斯·伊斯皮蘇亞·貝爾蒙特,同時(shí)也是2017年人-豬胚胎的負(fù)責(zé)人。
但未來(lái)呢?如果要利用嵌合體制造發(fā)育成熟的、可移植的器官,很可能還是躲不開嵌合體胚胎的繼續(xù)發(fā)育,甚至出生。正如《細(xì)胞》的評(píng)論文章所說(shuō),生物醫(yī)學(xué)越發(fā)地面臨兩難境地:我們需要更好的模型來(lái)了解人體生理和疾病,但要想獲得與人體接近的模型,卻往往是在挑戰(zhàn)倫理。
如果希望嵌合體生物產(chǎn)生可移植器官,一種理想的情境是,科學(xué)家能有辦法嚴(yán)格控制人細(xì)胞在嵌合體中出現(xiàn)的位置,讓它們只出現(xiàn)在最有必要的地方——倫理與科技的死結(jié),或許可以寄希望于更新的技術(shù)來(lái)解開。
不過(guò),也有科學(xué)家對(duì)這項(xiàng)研究提出質(zhì)疑。劍橋大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家阿方索·馬丁內(nèi)斯·阿里亞斯認(rèn)為,這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)不夠有說(shuō)服力,胚胎的存活率在15天后迅速下降,說(shuō)明這些嵌合體胚胎的狀況并不好。另外,如果想要培育可用于移植的器官,可以通過(guò)體外類器官培養(yǎng),這可以避免實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的倫理問(wèn)題;而就算要用嵌合體動(dòng)物,豬、牛等動(dòng)物也比靈長(zhǎng)類動(dòng)物更有希望,并且不會(huì)挑戰(zhàn)倫理問(wèn)題。
牛昱宇也認(rèn)為,從倫理角度出發(fā),未來(lái)可用于產(chǎn)生器官的,很可能是人-非靈長(zhǎng)類動(dòng)物嵌合體;目前的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn),更多在于了解人細(xì)胞在嵌合過(guò)程中發(fā)生了什么。為此,他們?cè)敿?xì)評(píng)估了人-猴嵌合體胚胎的發(fā)育過(guò)程,找出了那些在嵌合體胚胎中發(fā)生改變的基因表達(dá)和信號(hào)通路。這些信息,有助于人-非靈長(zhǎng)類動(dòng)物嵌合體胚胎的研究和可再生醫(yī)學(xué)研究。譚韜則表示,后續(xù)更重要的問(wèn)題,是要詳細(xì)研究如何提高嵌合效率。