中外科学家首次构建人猴嵌合胚胎：更好的研究模型和更大争议

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澎湃新闻  04-16 15:43

中外科学家首次构建了由人类细胞和非人灵长类细胞共同组成的胚胎，实验在这些胚胎体外存活19天时终止。
当地时间4月15日，顶级学术期刊《细胞》（Cell）在线发表了省部共建非人灵长类生物医学国家重点实验室/昆明理工大学灵长类转化医学研究院、美国索尔克生物研究所共同完成的一项研究，题为“Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo ”。研究人员将人类干细胞注入食蟹猴胚胎，并能够在相当长的一段时间内培育嵌合胚胎，为发育生物学和进化提供新的视角。与此同时，该研究也引发了广泛的伦理讨论。

该研究的通讯作者为美国索尔克生物研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte教授和吴军研究员（现为得克萨斯大学西南医学中心助理教授）、昆明理工大学灵长类转化医学研究院谭韬教授、牛昱宇教授和季维智院士。谭韬及其课题组博士生张又月、吴军、牛昱宇课题组博士生司晨洋、生物信息大数据平台负责人代绍兴为该论文的并列第一作者。

“因为我们无法在人体上进行某些类型的实验，那就必须有更好的模型更准确地研究和理解人类生物学和疾病。”Izpisua Belmonte说，“实验生物学的一个重要目标是发展模型系统，以便在活体条件下研究人类疾病。”
昆明理工大学灵长类转化医学研究院针对该研究的新闻稿则写道，该研究回答了异种嵌合细胞如何互作及发育程序差异如何调节等基础科学问题，为解决异种嵌合效率低下等问题提供新的思路，对器官再生研究具有指导意义。

人类细胞与猕猴细胞的嵌合体
科学界对种间嵌合体的研究早已开始。20世纪70年代，哺乳动物的种间嵌合体开始出现，当时首先在啮齿类动物身上产生，用于研究早期发育过程。
近年来，大动物中的异种嵌合也取得了一系列的突破性进展。例如，Izpisua Belmonte和吴军等人在2017年1月发表于《细胞》上的一项研究显示，他们实现了人干细胞在猪早期胚胎中的嵌合。2019年12月，中国科学院动物研究所和中国科学院干细胞与再生医学创新研究院周琪院士、李伟和海棠研究团队发表在Protein ＆ Cell杂志上的一项研究显示，他们首次拿到了食蟹猴-猪嵌合体，创造出世界上第一个“猪猴混合体”生物，在出生后一周内死亡。2020年12月，吴军等人在《细胞-干细胞》杂志上发表的研究还显示，他们生成世界首例马鼠嵌合胚胎。
这些研究为下一步嵌合体的研究带来了新的方向，比如异种之间进化差异在嵌合体中如何互相影响，细胞之间互作、通讯及竞争关系等等。
2019年，季维智等人则取得了使这项最新研究成为可能的进展。当年10月31日，谭韬、牛昱宇和季维智团队与美国索尔克生物研究所、深圳华大生命科学研究院等单位合作在《科学》杂志（Science）在线发表研究成果“Dissecting primate early post-implantation development using long-term in vitro embryo culture”。研究团队实现了食蟹猴胚胎体外20天的培养，培养胚胎呈现出了与体内发育胚胎高度一致的形态学与基因表达特征。
在这项最新的研究中，研究人员先从猴子体内分离出了受精卵，在培养皿里生长6天后，向132个猴子胚胎注射了人类的扩展多能干细胞（hEPS，能在胚胎内外生长成不同的细胞类型）。
通过免疫荧光研究，即抗体与荧光标记的干细胞结合，研究团队观察到，人类干细胞存活了下来，并且与之前在猪组织中的实验相比，整合的相对效率更高。论文数据显示，1天后，研究人员在132个胚胎中检测到人类细胞。10天后，103个嵌合胚胎仍在发育。但存活率很快开始下降，到了第19天，只有3个嵌合体还活着。
然而，重要的是，在胚胎继续生长的过程中，人类细胞的比例仍然很高。

总的来说，这项研究评估了人扩展多能性干细胞（hEPS）在食蟹猴中的嵌合能力。揭示了hEPS可以嵌合进入食蟹猴胚胎，并可以伴随着胚胎发育进入原肠运动，表达中胚层、内胚层的marker基因；hEPS细胞很难在食蟹猴胚胎中分化为滋养层细胞，而较容易分化为上胚层（EPI）细胞，这一发现与hEPS细胞人鼠嵌合体实验存在一定的差异。
Izpisua Belmonte说，“这些嵌合方法对推进生物医学研究非常有用，不仅在生命的最早期，而且在生命的晚期。”
为了确定这项最新研究中两个物种细胞之间的分子通讯途径，研究团队进一步结合单细胞RNA测序等技术分析了嵌合转录组。他们观察到，来自嵌合组织的细胞具有不同于对照的转录组特征，并检测到在嵌合细胞中有几条增强或新的通讯通路。
研究团队发现，hEPS随着发育的进行，从表达特征上逐渐与受体食蟹猴胚胎细胞变得相似。通过细胞互作分析，揭示了人猴在诸如EPI细胞之间存在的特异的互作关系，例如FGF5-FGFR4，同时受体猴胚胎细胞本身之间的细胞互作也增强了，主要涉及PI3K-Akt 和MAPK等信号家族；hEPS在嵌合体胚胎中的发育进程显著慢于正常发育的人和食蟹猴胚胎。同样可能与PI3K-Akt 和MAPK信号通路的改变有密切关系。
“从历史上看，人与动物嵌合体一直受到效率低下和人类细胞与宿主物种融合的困扰。”Izpisua Belmonte说，“人类和非人灵长类动物的嵌合体在进化时间轴上，比所有其他物种更接近人类，它能让我们更好地了解进化是否强加给嵌合体世代障碍，以及我们是否有办法克服这些障碍。”
Izpisua Belmonte解释说，“通过这些分析，我们在嵌合体细胞中发现了几种新的或加强的沟通途径。了解哪些途径参与了嵌合体细胞的通讯，将使我们有可能加强这种通讯，并提高那些在进化上离人类很远的宿主物种的嵌合效率。”
科学研究需求和伦理挑战
为什么要进行此类研究？吴军此前在接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时曾表示，人类器官移植、探索发育生物学中未知奥秘等都迫切需要这类研究。
从器官移植角度来说，世界卫生组织（WHO）估计，现在每年进行的13万例器官移植手术仅占实际需求的10%，而可用器官极为短缺。研究人员希望在与人类器官大小、生理和解剖结构相似的猪组织中培养人类细胞能够缓解这一问题。
吴军对澎湃新闻记者表示，人类器官移植是现代医学的一个很重要的发展，通过将生病坏死的器官移除，用健康有活力的器官替代，可以使有生命危险的病人再次获得生机。“当前社会背景下，器官移植最重要的制约不是技术，而是器官来源。器官需要在离开母体一定时间内重新移入新的生命体内才有可能存活，而大多数意外死亡事件必须在生前签订捐赠协议，并且个体没有重大疾病，这些苛刻的条件使我们很难获得可以更换的器官来源。”
吴军当时即提到，“我的理想之一是希望通过干细胞技术，获取有功能性的独立的人体器官，从而为需要器官移植的患者提供合法有效的器官来源。当然，这个只是终极目标，这条路目前看起来还任重道远，我们的研究只是为这些未来打开了一扇门，更多的研究需要世界各国的科学研究者们共同努力。”
吴军等人此前将人类细胞整合到早期猪组织中，标志着在使用大动物生产可移植人体器官方面迈出了第一步。但人类细胞的比例相当低，这可能是由于两个物种之间的巨大进化距离（9000万年）。
所以研究团队开始研究一种更接近的物种——猕猴的嵌合体形成。Izpisua Belmonte如此形象地表示，“人类细胞在猪组织类似于细胞试图找到中文和法语之间的共同点，而人类细胞在猕猴操作更像是两个紧密相关的语言，如西班牙语和法语。”
虽然这些与猕猴的嵌合体不会被用于人体器官移植，但它们揭示了关于人类细胞如何发育和整合，以及不同物种的细胞如何通讯的宝贵信息。
从长远来看，研究人员不仅希望利用嵌合体研究早期人类发育、设计疾病模型，而且希望找到筛选新药以及产生可移植细胞、组织或器官的新方法。
这些研究为研究特定疾病如何发生提供了一个新的平台。例如，一个可能与某种癌症有关的特定基因可以在人类细胞中被改造。然后，在嵌合模型中使用这些工程细胞观察疾病进展的过程，可能会比典型的动物模型显示出更适用的结果，在动物模型中疾病可能形成不同的进程。
嵌合疾病模型也可用于测试药物化合物的功效，并获得同样能更好地反映人类反应的结果。
嵌合体还可以为衰老研究提供独特见解。Izpisua Belmonte表示，研究人员尚不清楚是器官衰老的速度相同，还是某个器官驱动其他所有器官衰老，并充当衰老过程的总开关。例如，利用嵌合作用，在寿命较长的物种(如裸鼹鼠)体内生长普通小鼠的器官，科学家们可以开始探索哪些器官可能是衰老的关键，哪些信号参与了它们的生存。
该研究下一步的重点是更详细地评估参与种间通讯的所有分子途径，并找出对发育过程至关重要的途径。
当然，不可忽视的一点是，《细胞》同期发表的评论文章以及《自然》网站的新闻稿件等都关注了构建人类/非人灵长类嵌合体的潜在伦理考虑。
“在这个领域，还有更多更合理的实验，把银身兽作为器官和组织的来源。”西班牙庞培法布拉大学发育生物学家Alfonso Martinez Arias对《自然》表示，用猪和牛等家畜做实验“更有希望，而且不会挑战伦理界限”。他说道，“还有一个完整的类器官领域，有希望摆脱动物研究。”
Martinez Arias还补充道，“我希望有更好的证据，特别是关于发展的后期阶段。”胚胎数量在接近发育第15天时迅速下降，这在他看来“情况很糟糕”。
将人类细胞与密切相关的灵长类胚胎结合在一起，这也引发了有关嵌合体地位和身份的问题。美国凯斯西储大学的生物伦理学家Insoo Hyun说，“有些人可能会认为，你在那里创造了道德上模糊不清的实体。”
他同时表示，这项最新研究的研究团队完全遵循了现有的指导方针，“我认为，他们在关注监管和道德问题方面做了相当多的应有的注意。”
Izpisua Belmonte本人则指出，“作为科学家，我们有责任进行深入研究，并遵循所有的道德、法律和社会准则。”他还说，在开始这项工作之前，他们就在机构层面，以及通过与第三方生物伦理学家接触进行了伦理咨询和审查。“这种彻底而详细的过程帮助指导了我们的实验。”

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