中外科學家首次構建人猴嵌合胚胎:更好的研究模型和更大爭議
2021年04月16日14:57

原標題:中外科學家首次構建人猴嵌合胚胎:更好的研究模型和更大爭議

中外科學家首次構建了又人類細胞和非人靈長類細胞共同組成的胚胎,實驗在這些胚胎體外存活19天時終止。

當地時間4月15日,頂級學術期刊《細胞》(Cell)在線發表了省部共建非人靈長類生物醫學國家重點實驗室/昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院、美國索爾克生物研究所共同完成的一項研究,題為“Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo ”。研究人員將人類幹細胞注入食蟹猴胚胎,並能夠在相當長的一段時間內培育嵌合胚胎,為發育生物學和進化提供新的視角。與此同時,該研究也引發了廣泛的倫理討論。

該研究的通訊作者為美國索爾克生物研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte教授和吳軍研究員(現為得克薩斯大學西南醫學中心助理教授)、昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院譚韜教授、牛昱宇教授和季維智院士。譚韜及其課題組博士生張又月、吳軍、牛昱宇課題組博士生司晨洋、生物信息大數據平台負責人代紹興為該論文的並列第一作者。

“因為我們無法在人體上進行某些類型的實驗,那就必須有更好的模型更準確地研究和理解人類生物學和疾病。”Izpisua Belmonte說,“實驗生物學的一個重要目標是發展模型系統,以便在活體條件下研究人類疾病。”

昆明理工大學靈長類轉化醫學研究院針對該研究的新聞稿則寫道,該研究回答了異種嵌合細胞如何互作及發育程式差異如何調節等基礎科學問題,為解決異種嵌合效率低下等問題提供新的思路,對器官再生研究具有指導意義。

人類細胞與獼猴細胞的嵌合體

科學界對中間嵌合體的研究早已開始。20世紀70年代,哺乳動物的種間嵌合體開始出現,當時首先在囓齒類動物身上產生,用於研究早期發育過程。

近年來,大動物中的異種嵌合也取得了一系列的突破性進展。例如,Izpisua Belmonte和吳軍等人在2017年1月發表於《細胞》上的一項研究顯示,他們實現了人幹細胞在豬早期胚胎中的嵌合。2019年12月,中國科學院動物研究所和中國科學院幹細胞與再生醫學創新研究院周琪院士、李偉和海棠研究團隊發表在Protein & Cell雜誌上的一項研究顯示,他們首次拿到了食蟹猴-豬嵌合體,創造出世界上第一個“豬猴混合體”生物,在出生後一週內死亡。2020年12月,吳軍等人在《細胞-幹細胞》雜誌上發表的研究還顯示,他們生成世界首例馬鼠嵌合胚胎。

這些研究為下一步嵌合體的研究帶來了新的方向,比如異種之間進化差異在嵌合體中如何互相影響,細胞之間互作、通訊及競爭關係等等。

去年,季維智等人則取得了使這項最新研究成為可能的進展。2019年10月31日,譚韜、牛昱宇和季維智團隊與美國索爾克生物研究所、深圳華大生命科學研究院等單位合作在《科學》雜誌(Science)在線發表研究成果“Dissecting primate early post-implantation development using long-term in vitro embryo culture”。研究團隊實現了食蟹猴胚胎體外20天的培養,培養胚胎呈現出了與體內發育胚胎高度一致的形態學與基因表達特徵。

在這項最新的研究中,研究人員先從猴子體內分離出了受精卵,在培養皿里生長6天后,向132個猴子胚胎注射了人類的擴展多能幹細胞(hEPS,能在胚胎內外生長成不同的細胞類型)。

通過免疫螢光研究,即抗體與螢光標記的幹細胞結合,研究團隊觀察到,人類幹細胞存活了下來,並且與之前在豬組織中的實驗相比,整合的相對效率更高。論文數據顯示,1天后,研究人員在132個胚胎中檢測到人類細胞。10天后,103個嵌合胚胎仍在發育。但存活率很快開始下降,到了第19天,只有3個嵌合體還活著。

然而,重要的是,在胚胎繼續生長的過程中,人類細胞的比例仍然很高。

總的來說,這項研究評估了人擴展多能性幹細胞(hEPS)在食蟹猴中的嵌合能力。揭示了hEPS可以嵌合進入食蟹猴胚胎,並可以伴隨著胚胎發育進入原腸運動,表達中胚層、內胚層的marker基因;hEPS細胞很難在食蟹猴胚胎中分化為滋養層細胞,而較容易分化為上胚層(EPI)細胞,這一發現與hEPS細胞人鼠嵌合體實驗存在一定的差異。

Izpisua Belmonte說,“這些嵌合方法對推進生物醫學研究非常有用,不僅在生命的最早期,而且在生命的晚期。”

為了確定這項最新研究中兩個物種細胞之間的分子通訊途徑,研究團隊進一步結合單細胞RNA測序等技術分析了嵌合轉錄組。他們觀察到,來自嵌合組織的細胞具有不同於對照的轉錄組特徵,並檢測到在嵌合細胞中有幾條增強或新的通訊通路。

研究團隊發現,hEPS隨著發育的進行,從表達特徵上逐漸與受體食蟹猴胚胎細胞變得相似。通過細胞互作分析,揭示了人猴在諸如EPI細胞之間存在的特異的互作關係,例如FGF5-FGFR4,同時受體猴胚胎細胞本身之間的細胞互作也增強了,主要涉及PI3K-Akt 和MAPK等信號家族;hEPS在嵌合體胚胎中的發育進程顯著慢於正常發育的人和食蟹猴胚胎。同樣可能與PI3K-Akt 和MAPK信號通路的改變有密切關係。

“從歷史上看,人與動物嵌合體一直受到效率低下和人類細胞與宿主物種融合的困擾。”Izpisua Belmonte說,“人類和非人靈長類動物的嵌合體在進化時間軸上,比所有其他物種更接近人類,它能讓我們更好地瞭解進化是否強加給嵌合體世代障礙,以及我們是否有辦法克服這些障礙。”

Izpisua Belmonte解釋說,“通過這些分析,我們在嵌合體細胞中發現了幾種新的或加強的溝通途徑。瞭解哪些途徑參與了嵌合體細胞的通訊,將使我們有可能加強這種通訊,並提高那些在進化上離人類很遠的宿主物種的嵌合效率。”

科學研究需求和倫理挑戰

為什麼要進行此類研究?吳軍此前在接受澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者採訪時曾表示,人類器官移植、探索發育生物學中未知奧秘等都迫切需要這類研究。

從器官移植角度來說,世界衛生組織(WHO)估計,現在每年進行的13萬例器官移植手術僅占實際需求的10%,而可用器官極為短缺。研究人員希望在與人類器官大小、生理和解剖結構相似的豬組織中培養人類細胞能夠緩解這一問題。

吳軍對澎湃新聞記者表示,人類器官移植是現代醫學的一個很重要的發展,通過將生病壞死的器官移除,用健康有活力的器官替代,可以使有生命危險的病人再次獲得生機。“當前社會背景下,器官移植最重要的製約不是技術,而是器官來源。器官需要在離開母體一定時間內重新移入新的生命體內才有可能存活,而大多數意外死亡事件必須在生前簽訂捐贈協議,並且個體沒有重大疾病,這些苛刻的條件使我們很難獲得可以更換的器官來源。”

吳軍當時即提到,“我的理想之一是希望通過幹細胞技術,獲取有功能性的獨立的人體器官,從而為需要器官移植的患者提供合法有效的器官來源。當然,這個只是終極目標,這條路目前看起來還任重道遠,我們的研究只是為這些未來打開了一扇門,更多的研究需要世界各國的科學研究者們共同努力。”

吳軍等人此前將人類細胞整合到早期豬組織中,標誌著在使用大動物生產可移植人體器官方面邁出了第一步。但人類細胞的比例相當低,這可能是由於兩個物種之間的巨大進化距離(9000萬年)。

所以研究團隊開始研究一種更接近的物種——獼猴的嵌合體形成。Izpisua Belmonte如此形象地表示,“人類細胞在豬組織類似於細胞試圖找到中文和法語之間的共同點,而人類細胞在獼猴操作更像是兩個緊密相關的語言,如西班牙語和法語。”

雖然這些與獼猴的嵌合體不會被用於人體器官移植,但它們揭示了關於人類細胞如何發育和整合,以及不同物種的細胞如何通訊的寶貴信息。

另。從長遠來看,研究人員不僅希望利用嵌合體研究早期人類發育、設計疾病模型,而且希望找到篩選新藥以及產生可移植細胞、組織或器官的新方法。

這些研究為研究特定疾病如何發生提供了一個新的平台。例如,一個可能與某種癌症有關的特定基因可以在人類細胞中被改造。然後,在嵌合模型中使用這些工程細胞觀察疾病進展的過程,可能會比典型的動物模型顯示出更適用的結果,在動物模型中疾病可能形成不同的進程。

嵌合疾病模型也可用於測試藥物化合物的功效,並獲得同樣能更好地反映人類反應的結果。

嵌合體還可以為衰老研究提供獨特見解。Izpisua Belmonte表示,研究人員尚不清楚是器官衰老的速度相同,還是某個器官驅動其他所有器官衰老,並充當衰老過程的總開關。例如,利用嵌合作用,在壽命較長的物種(如裸鼴鼠)體內生長普通小鼠的器官,科學家們可以開始探索哪些器官可能是衰老的關鍵,哪些信號參與了它們的生存。

該研究下一步的重點是更詳細地評估參與種間通訊的所有分子途徑,並找出對發育過程至關重要的途徑。

當然,不可忽視的一點事,《細胞》同期發表的評論文章以及《自然》網站的新聞稿件等都關注了構建人類/非人靈長類嵌合體的潛在倫理考慮。

“在這個領域,還有更多更合理的實驗,把銀身獸作為器官和組織的來源。”西班牙龐培法布拉大學發育生物學家Alfonso Martinez Arias對《自然》表示,用豬和牛等家畜做實驗“更有希望,而且不會挑戰倫理界限”。他說道,“還有一個完整的類器官領域,有希望擺脫動物研究。”

Martinez Arias還補充道,“我希望有更好的證據,特別是關於發展的後期階段。”胚胎數量在接近發育第15天時迅速下降,這在他看來“情況很糟糕”。

將人類細胞與密切相關的靈長類胚胎結合在一起,這也引發了有關嵌合體地位和身份的問題。美國凱斯西儲大學的生物倫理學家Insoo Hyun說,“有些人可能會認為,你在那裡創造了道德上模糊不清的實體。”

他同時表示,這項最新研究的研究團隊完全遵循了現有的指導方針,“我認為,他們在關注監管和道德問題方面做了相當多的應有的注意。”

Izpisua Belmonte本人則指出,“作為科學家,我們有責任進行深入研究,並遵循所有的道德、法律和社會準則。”他還說,在開始這項工作之前,他們就在機構層面,以及通過與第三方生物倫理學家接觸進行了倫理諮詢和審查。“這種徹底而詳細的過程幫助指導了我們的實驗。”

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