美國(guó)、西班牙的研究人員利用人的皮膚組織誘導(dǎo)生成多能干細(xì)胞，將它們移植到豬的早期胚胎，成功培育出一批人豬嵌合胚胎。這是科學(xué)界第一次證明人類(lèi)細(xì)胞能在豬胚胎中存活，它使得科學(xué)家利用豬的身體生產(chǎn)出人類(lèi)器官的夢(mèng)想向現(xiàn)實(shí)又靠近了一步。

南方周末特約撰稿 湯波

對(duì)于那些遭遇致命器官病變的患者來(lái)說(shuō)，器官移植已成為他們重獲新生的唯一希望，但是全球性器官嚴(yán)重短缺，又讓希望變成絕望。2017年1月26日，美國(guó)和西班牙科研小組在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《細(xì)胞》上公布了一項(xiàng)人豬嵌合胚胎的開(kāi)創(chuàng)性研究成果，使得科學(xué)家利用豬的身體生產(chǎn)出人類(lèi)器官的夢(mèng)想又向現(xiàn)實(shí)靠近了一步，有望解決這一國(guó)際性難題。

人豬嵌合胚胎培育成功

自上世紀(jì)50年代人類(lèi)首次成功實(shí)施器官移植手術(shù)以來(lái)，器官移植手術(shù)已成為挽救器官病變患者的主要手段，常見(jiàn)的移植器官包括腎、心、肝、肺和胰腺等。據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告顯示，全球每年實(shí)施的器官移植超過(guò)11萬(wàn)例。由于醫(yī)療技術(shù)先進(jìn)和國(guó)民器官捐獻(xiàn)率較高，美國(guó)是實(shí)施器官移植最多的國(guó)家之一，過(guò)去25年，美國(guó)實(shí)施的實(shí)體器官移植數(shù)量超過(guò)60萬(wàn)例。中國(guó)每年實(shí)施的器官移植手術(shù)則只有1萬(wàn)例左右，卻有100多萬(wàn)病人在苦苦等待器官供體。顯然，絕大多數(shù)病人只能痛苦地接受沒(méi)有可供移植的器官供體的現(xiàn)實(shí)，器官供體嚴(yán)重短缺也已成為國(guó)際性難題。

大多數(shù)國(guó)家的器官移植主要依靠志愿者捐獻(xiàn)，但是受宗教、傳統(tǒng)觀念等多種因素影響，志愿者捐獻(xiàn)的器官數(shù)量難以滿足巨大的臨床需求，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)向了動(dòng)物身上。由于豬的器官大小、生理結(jié)構(gòu)、代謝特性與人的較為接近，而且豬飼養(yǎng)方便，生長(zhǎng)快速，已經(jīng)成為異種器官移植的理想供體，而將人多能干細(xì)胞移植到豬的早期胚胎，制作成人豬嵌合胚胎，希望能在豬身上長(zhǎng)出人類(lèi)器官，以供人類(lèi)器官移植，則是異種器官移植研究領(lǐng)域的最新方向。

2017年1月26日，美國(guó)《細(xì)胞》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于人與動(dòng)物嵌合胚胎的研究論文。該項(xiàng)研究由美國(guó)索爾克生物研究所牽頭，西班牙穆?tīng)栁鱽喆髮W(xué)等研究機(jī)構(gòu)參與，華人科學(xué)家吳軍博士是該論文的第一作者。這篇論文之所以引起媒體和公眾的廣泛關(guān)注，是因?yàn)樵撗芯吭趪?guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了人多能干細(xì)胞與豬早期胚胎成功嵌合，重新燃起異種器官移植的希望。

吳軍等人首先在實(shí)驗(yàn)室利用人的皮膚組織誘導(dǎo)生成人多能干細(xì)胞，理論上這種多能干細(xì)胞在一定條件下可以分化成任何人體細(xì)胞，包括心肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞等，研究人員將這些誘導(dǎo)多能干細(xì)胞移植到豬的早期胚胎，成功培育出一批人豬嵌合胚胎，這些胚胎在代孕母豬子宮內(nèi)發(fā)育了3到4周時(shí)間，這相當(dāng)于人類(lèi)懷孕8到10周。與普通胚胎相比，這些嵌合胚胎在母豬體內(nèi)的發(fā)育情況沒(méi)有顯著差異。由于擔(dān)心倫理爭(zhēng)議，研究人員提前終止了妊娠。

研究人員在這些人豬嵌合胚胎中檢測(cè)到了不同程度的嵌合，不過(guò)人細(xì)胞在豬胚胎中的嵌合率非常之低，估計(jì)每萬(wàn)個(gè)豬細(xì)胞中僅有1個(gè)人類(lèi)細(xì)胞，低于大鼠多能干細(xì)胞在小鼠胚胎中的嵌合率，一方面顯示人和豬之間的進(jìn)化距離要大于大鼠和小鼠，另一方面也可能因?yàn)檠芯咳藛T并沒(méi)有對(duì)豬胚胎進(jìn)行基因編輯，從而形成器官“空位”以供人的多能干細(xì)胞來(lái)填補(bǔ)。

這一探索性研究是國(guó)際上第一次證明人類(lèi)細(xì)胞能在豬胚胎中存活，不過(guò)并沒(méi)有觀察到這些人類(lèi)細(xì)胞是否能在人豬嵌合胚胎中發(fā)育成人類(lèi)器官。在同一篇論文中，研究人員還建立了嚙齒動(dòng)物模型，驗(yàn)證了異種培育的嵌合器官能在體內(nèi)正常發(fā)育，并發(fā)揮正常生理功能。

異種培育器官功能正常

在培育人豬嵌合胚胎之前，美國(guó)索爾克生物研究所研究人員首先建立大鼠與小鼠嵌合胚胎模型，以驗(yàn)證其研究思路的可行性，他們利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)，敲除掉小鼠受精卵中一些決定器官生成的關(guān)鍵基因，使得這些小鼠的胰臟、心臟和眼睛等器官不能正常發(fā)育，形成了器官“空位”，然后將大鼠的多能干細(xì)胞注射到上述經(jīng)基因編輯的小鼠胚胎中，構(gòu)建成小鼠與大鼠嵌合胚胎，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些嵌合胚胎能在小鼠子宮內(nèi)正常生長(zhǎng)發(fā)育，出生后能健康生活兩年以上，相當(dāng)于人類(lèi)壽命的60歲左右。更令人驚喜的是，盡管控制小鼠胰臟和眼睛等器官發(fā)育的基因被敲除，但這些嵌合小鼠在大鼠多能干細(xì)胞的幫助下，成功發(fā)育出新的嵌合胰臟和眼睛等器官，并能在小鼠體內(nèi)發(fā)揮正常生理功能。

就在上述論文在《細(xì)胞》上發(fā)表的前一天，英國(guó)著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志也在線發(fā)表了日本科學(xué)家的類(lèi)似研究成果。日本東京大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員采用與吳軍等人類(lèi)似的技術(shù)路線，就如同事前達(dá)成默契一樣，日本科學(xué)家將大鼠和小鼠進(jìn)行了對(duì)調(diào)，他們利用基因編輯技術(shù)將控制大鼠胰臟發(fā)育的基因敲除，再將小鼠多能干細(xì)胞移植到大鼠早期胚胎中，培育出大鼠與小鼠嵌合胚胎，結(jié)果，新生大鼠長(zhǎng)出了含有小鼠細(xì)胞的嵌合胰臟，大小與大鼠胰臟差不多。

比美國(guó)科學(xué)家的研究更加深入的是，日本研究人員從這種嵌合胰臟中分離出能正常分泌胰島素的胰島組織，并移植到患糖尿病的小鼠體內(nèi)后，成功控制了小鼠的血糖水平，1年后小鼠的血糖值依然維持在正常水平。

上述兩項(xiàng)研究表明，利用多能干細(xì)胞嵌合胚胎實(shí)現(xiàn)異種器官大規(guī)模生產(chǎn)的科學(xué)幻想有可能成為現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家下一步將在豬等大動(dòng)物身上開(kāi)展類(lèi)似研究，以進(jìn)一步確證利用豬的身體生產(chǎn)可供移植人類(lèi)嵌合器官的可行性。

通過(guò)這些研究，科學(xué)家們最終希望，能從那些需要器官移植的病人采集皮膚細(xì)胞，再誘導(dǎo)產(chǎn)生多能干細(xì)胞，進(jìn)而培育成人豬嵌合胚胎，在豬等動(dòng)物體內(nèi)生產(chǎn)出含有功能性人類(lèi)細(xì)胞或組織的嵌合器官，最后將這些嵌合器官移植到病人體內(nèi)，以減輕或消除異種器官移植所面臨的最大障礙——免疫排斥反應(yīng)。

豬器官人源化也已開(kāi)展

早在一百多年前，就有人嘗試將豬的器官直接移植到病人體內(nèi)，但均以失敗告終。原來(lái)人體與其它動(dòng)物一樣，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，形成了一套識(shí)別和清除外來(lái)組織器官的保護(hù)機(jī)制，即免疫排斥。一旦有外來(lái)組織器官進(jìn)入，動(dòng)物體就會(huì)啟動(dòng)免疫排斥反應(yīng)，識(shí)別出外來(lái)的細(xì)胞、組織或器官，并啟動(dòng)清除程序，嚴(yán)重時(shí)，幾分鐘或數(shù)小時(shí)內(nèi)就會(huì)讓外來(lái)組織器官失活壞死，即超急性排斥反應(yīng)，是異種器官移植面臨的最主要障礙之一。

即使沒(méi)有被超急性排斥反應(yīng)所破壞，異種器官還將面臨急性血管性排斥反應(yīng)、細(xì)胞排斥反應(yīng)等的多重考驗(yàn)，相繼將出現(xiàn)血栓血塞、血管內(nèi)皮細(xì)胞壞死等障礙，而被植入的異種器官最終似乎難逃被掃地出門(mén)的命運(yùn)，連帶受試病人也不得不為自己的頑固排他行為付出慘痛代價(jià)。

因此，異種器官移植要獲得成功，必須解決免疫排斥反應(yīng)。除了上述利用人豬嵌合胚胎直接培育“人類(lèi)”器官，國(guó)際上還有另外一個(gè)重要的研究方向，即通過(guò)基因改造，將豬器官“偽裝”成人類(lèi)的器官，人的免疫系統(tǒng)無(wú)法對(duì)這些人源化的豬器官發(fā)動(dòng)攻擊。

當(dāng)然要騙過(guò)人類(lèi)的免疫系統(tǒng)并不是一件容易的事情，首先要將豬細(xì)胞表面特有的抗原成分去除，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，除了人類(lèi)和其它靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物之外，絕大多數(shù)哺乳動(dòng)物的細(xì)胞表面都存在一種由α-1,3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶催化產(chǎn)生的抗原表位，靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)天然存在的抗體能特異識(shí)別這種抗原表位，是引起超急性免疫排斥反應(yīng)的主要原因，如果能將調(diào)控該酶表達(dá)的基因去掉，豬器官表面則不會(huì)形成特異抗原表位；其次，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，讓豬的器官上皮細(xì)胞表達(dá)一些人的補(bǔ)體調(diào)節(jié)蛋白，將豬的器官人源化，人和其他靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物則會(huì)誤認(rèn)為是同類(lèi)的器官，也可以避免或減輕超急性排斥反應(yīng)。

2016年4月，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院心胸外科研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》上公布了令人振奮的研究成果，該團(tuán)隊(duì)早在3年前就培育出一種攜帶人膜輔蛋白基因和人血栓調(diào)節(jié)蛋白基因，同時(shí)α-1,3-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因敲除的基因工程豬，研究人員取出上述基因工程豬的心臟，移植到五只狒狒體內(nèi)，借助一些抗排斥藥物，豬的心臟在五只狒狒體內(nèi)平均存活298天，最長(zhǎng)移植存活時(shí)間達(dá)945天，創(chuàng)造了最長(zhǎng)的異種器官存活紀(jì)錄。不過(guò)該項(xiàng)研究主要為了研究異種器官排斥反應(yīng)的機(jī)制和抗排斥藥物的功效，研究人員并沒(méi)有取出狒狒自身的心臟。該團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃將直接用豬心替代狒狒自己的心臟，以了解狒狒僅依靠豬心能活多長(zhǎng)時(shí)間。

爭(zhēng)議和希望

無(wú)論是人豬嵌合器官，還是人源化豬器官，一旦在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，不僅能大規(guī)模生產(chǎn)可供移植的器官移植短缺問(wèn)題，還能利用基因工程技術(shù)，針對(duì)病人訂制免疫排斥反應(yīng)小的異種器官，這是人體捐獻(xiàn)器官都無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，這些前沿科技，對(duì)大多數(shù)民眾來(lái)說(shuō)，似乎只是神話故事或科幻小說(shuō)里才有的情節(jié)。因此，這些異種器官培育和移植在公眾和管理層里還存在較大的倫理爭(zhēng)議。

有人擔(dān)心這些嵌合豬會(huì)不會(huì)越來(lái)越接近于人類(lèi)，甚至擁有人類(lèi)的思維與意識(shí)。不過(guò)從事異種器官移植研究的科學(xué)家們認(rèn)為這種情況發(fā)生的概率幾乎為零，因?yàn)檫@些異種器官只含有少量的人類(lèi)細(xì)胞或少數(shù)幾個(gè)人類(lèi)基因，而且科學(xué)家可以對(duì)人多能干細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，以分化成所需要的組織器官，同時(shí)也可限制其向神經(jīng)系統(tǒng)或生殖系統(tǒng)分化。當(dāng)然科學(xué)家們也非常謹(jǐn)慎，正如美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)神經(jīng)外科專(zhuān)家沃爾特·洛教授對(duì)英國(guó)BBC所說(shuō)，“我們會(huì)仔細(xì)監(jiān)控每一個(gè)嵌合胚胎，如果發(fā)現(xiàn)其比較接近人類(lèi)，我們將馬上終止妊娠?！甭褰淌趫F(tuán)隊(duì)正在嘗試?yán)萌素i嵌合胚胎，生產(chǎn)人類(lèi)神經(jīng)元，以治療帕金森等神經(jīng)疾病。

另一些人則擔(dān)心這些異種器官移植會(huì)將豬的病毒傳播到人身上，特別是一些潛伏在豬基因組中的逆轉(zhuǎn)錄病毒。雖然科學(xué)家們至今并沒(méi)有觀測(cè)到豬逆轉(zhuǎn)錄病毒感染人的案例，但是鑒于艾滋病病毒的危害，這一擔(dān)心實(shí)際上已成為異種器官移植難以臨床應(yīng)用的重要障礙之一。

不過(guò)到2015年10月，美國(guó)哈佛大學(xué)研究人員利用基因編輯技術(shù)解決了這一問(wèn)題。來(lái)自中國(guó)的楊璐菡博士等人根據(jù)豬的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因序列，設(shè)計(jì)了一種特殊的CRISPR-Cas9“基因剪刀”，成功將豬腎上皮細(xì)胞基因組中全部62個(gè)的內(nèi)源逆轉(zhuǎn)錄病毒基因剪切失活，隨后研究人員將基因編輯后的豬細(xì)胞和人細(xì)胞在一起培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)豬病毒的侵染率只是未經(jīng)基因編輯豬細(xì)胞的千分之一。這是國(guó)際上首次在全基因組實(shí)現(xiàn)內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒基因的編輯剪切，無(wú)疑也是異種器官移植領(lǐng)域的里程碑成果，難怪該成果在美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表后，很多頂級(jí)科學(xué)家和媒體紛紛表示，這項(xiàng)研究有望重新開(kāi)啟異種器官移植研究的黃金時(shí)代。

基于這些擔(dān)心和倫理爭(zhēng)議，各國(guó)政府也對(duì)人體嵌合胚胎研究表明態(tài)度。法國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家立法禁止對(duì)人類(lèi)胚胎進(jìn)行嵌合研究，即禁止將動(dòng)物干細(xì)胞引入人類(lèi)胚胎中，但是對(duì)進(jìn)行人干細(xì)胞與動(dòng)物胚胎的嵌合研究則沒(méi)有明確規(guī)定。美國(guó)沒(méi)有法律禁止此類(lèi)研究，但是國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）2015年9月曾表示將不資助人與動(dòng)物嵌合研究，美國(guó)索爾克生物研究所的人豬嵌合胚胎研究就曾受到影響，不過(guò)一年以后，經(jīng)過(guò)與科學(xué)家們、倫理學(xué)家等研討，NIH的態(tài)度近期發(fā)生了轉(zhuǎn)變，將對(duì)此類(lèi)研究申請(qǐng)進(jìn)行個(gè)案分析。

由于市場(chǎng)需求巨大，盡管政府的支持態(tài)度不太明朗，但是風(fēng)險(xiǎn)資本對(duì)此似乎表現(xiàn)出較大的興趣。2014年5月，美國(guó)聯(lián)合治療集團(tuán)旗下Lung生物技術(shù)公司計(jì)劃投資5000萬(wàn)美元開(kāi)展人源化豬器官研究，其旗下的Revivicor公司則正在北卡羅來(lái)納州建設(shè)世界最大的異種器官工廠，計(jì)劃每年生產(chǎn)1000個(gè)以上的器官。

顯然，異種器官移植離真正臨床應(yīng)用還為時(shí)尚早。除了諸多技術(shù)難題尚待解決之外，這些異種器官培育和移植還存在較大的倫理爭(zhēng)議，科學(xué)家們應(yīng)該充分考慮公眾對(duì)這些前沿技術(shù)的擔(dān)憂和顧慮，謹(jǐn)慎開(kāi)展相關(guān)研究，在解決所有技術(shù)難題和確保安全之前，不應(yīng)貿(mào)然開(kāi)展異種器官移植的臨床應(yīng)用。