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如何让动物长出人类器官?

由于供移植的人类器官短缺,研究人员想出了各种办法来解决这一问题。

动物长出人类器官

由于供移植的人类器官短缺,研究人员想出了各种办法来解决这一问题。

现在,研究人员提出了另一种设想并在进行试验,就是让动物长出人的器官,以供人移植。能够长出人的器官的理想动物首先是猪,其次是绵羊或牛。

敲除和替换基因

如何让动物长出人类器官?

让猪长出可供人类移植的器官至少要满足两个条件。一是要有人的胚胎发育期的干细胞或人的诱导产生的多能干细胞移植到猪体内,才能由这样的细胞长出各种器官出来;二是要让猪体内特定的地方不能长出猪的器官,而是让人的干细胞代替猪细胞从而长出人的器官来,这就需要敲除猪的某些特定基因,如发育成胰脏的基因,或使其不能表达出来。

现在,研究人员已经能初步在猪身上做到这两点。美国加利福尼亚大学戴维斯分校的繁殖生物学家帕布罗·罗斯研究团队进行试验,把人类干细胞注入到猪胚胎中,创造出了人-猪合成胚胎,即嵌合体动物模型。这些人-猪嵌合体胚胎表面上和普通的猪胚胎别无二致,但它们的胰腺完全是用人类细胞培育出来的。

研究人员采用一种基因编辑技术,即CRISPR/Cas9(规律成簇间隔短回文重复),实际上就是一种基因编辑器(基因剪刀),对猪胚胎发育为胰脏的基因进行切除,同时把人的发育为胰脏的基因注入到猪胚胎。然后把这种胚胎转移到代孕母猪体内发育。当猪胚胎发育成熟后,就可以长出人的胰脏了。

但是,由于伦理问题,现在还不能让这样的猪长大和长出成熟的器官,只能让人-猪嵌合体胚胎在母猪体内生长到28天,然后终止妊娠,胚胎也将被移出体外,进行后续研究。

伦理问题的核心是,像人-猪这样的嵌合体胚胎是否会造成人兽杂交动物,既危及人的安全,又有可能创造出一种半人半兽的新物种。半人半兽的物种源自古希腊神话的怪兽喀迈拉(chimeras),它是一种拥有羊身、狮头和蛇尾的喷火神兽。今天,人类如果能在现实中创造出半人半兽的物种,其实是对人类伦理的挑战,因此,需要获得社会的认同,至少需要伦理委员会的批准。

现在,美国国立卫生研究院正在考虑开放用人类精子或卵子与动物生殖细胞结合培育人兽嵌合体,因为它们不仅有可能长出人的器官,也有助于研究人类的生长发育和不孕不育问题。但是,美国国立卫生研究院迄今尚未批准这类研究,只是希望最早将于2017年初开始

为这些研究项目提供赞助。而英国内政部科学动物委员会近日公布了一套指导方针,规定了这一类研究应该如何进行。

即便如此,现在美国研究人员已经在约20头动物体内移入了人兽混合的胚胎,这些胚胎都是通过将人类干细胞注入动物细胞中制造出来的。然后科学家再把这些胚胎移入猪或绵羊体内发育,但是这些胚胎均未经历完整的发育过程。

此外,美国明尼苏达大学的沃尔特·洛教授也正在开展一项类似的研究,他认为,猪是一种理想的“生物孵化器”。利用这种方法在猪的体内培育的肝脏将是一个人原先肝脏的完美拷贝,只是更加年轻并且更加健康。因此这个人在接受相关移植手术之后完全不需要服用任何免疫抑制药物,而药物都是有副作用的。

研究人兽嵌合体的进程

早在2004年,研究人员就研究让猪来生产人的器官,以便供人移植。例如,美国明尼苏达州马约医学中心的普拉特医生将人类干细胞移入猪的胚胎,制造了一些“喀迈拉猪”。其过程就是把人体胚胎干细胞注入猪的胚胎,这种胚胎发育成的猪的体内带有人的细胞。但是,由于伦理限制,这种嵌合猪胚胎没有能发育成形。

研究的难点在于,即便让猪产生人的器官,也要克服未来的免疫反应。因为,即便移植人的器官(同种移植),也要进行人类白细胞表面抗原配型,配型一致,才不会产生排异反应。所以,让猪长出人的器官最好是量身定做,即提取需要器官移植者(受者)的皮肤细胞或其他细胞,并生成诱导多能干细胞(iPS),再把这样的细胞注入动物胚胎,形成人-猪或人兽嵌合胚胎,如此可以让未来猪或羊身上长出的器官与受者的免疫原性一致,避免排异反应。

此外,让猪生产人类器官的做法既要让人的诱导多能干细胞定向在猪胚胎中生长成为特定器官,如肝脏,又需要用基因工程抑制猪生长出自己的器官。2010年,日本的中内研究小组在《细胞》杂志上发表一篇论文,描述了他们在动物身上取得的进展。虽然他们不是让动物长出人的器官,但试验让小鼠长出了大鼠的胰脏,即用大鼠干细胞在胰脏发育缺陷的小鼠胚胎中培育胰脏,获得成功。

2013年2月,中内等人又在《美国国家科学院院刊》上发文称,他们把甲猪的诱导多能干细胞移入到一个不能发育成自己胰脏的有缺陷的猪胚胎(乙猪)中,结果胚胎生成了甲猪的胰脏。

按这种技术路线操作,也可以将人的诱导多能干细胞植入不能发育成自己胰脏或肝脏的猪胚胎中,让其发育成含有人胰脏或肝脏的小猪,等小猪长大,就可以摘取其胰脏或肝脏供人移植了。猪的怀孕期平均为114天,也就是说,只要技术成熟,少则需要等待4个月,多则需要等半年,需要移植器官者就可以让猪量身定做符合自己要求同时又不会受到排异的器官。

现在,人们还担心人猪嵌合体胚胎有一种更大的越位的可能,即人类细胞向猪脑扩散,如果这种情况发生,将会导致有人类思维的猪产生。但是,研究人员表示,每培育一个器官,都会仔细观察猪脑部的变化,如果发现后者变得越来越像人类大脑,就不会允许这种嵌合胚胎继续发育。

现在,美国研究人员已经能让猪长出人的胰脏,尽管限于伦理制约,还不能批准其完全生长为成熟的器官,但人-猪嵌合体已经是一种美妙的蓝图,值得一试。不过,让猪或其他动物长出人类器官供移植,还有很长的路要走。

先让猪产生人的物质

尽管让猪产出人类器官还需要等待较长时间,但是研究人员现在已经能让猪产生人类的物质,例如人血白蛋白,这同样是基因编辑技术的成果。

人血白蛋白是一种在血液存在的蛋白质,可用来治疗很多疾病,例如对肝衰竭和创伤性休克治疗、血液透析辅助治疗很有效。研究人员一直尝试在猪体内产生人血白蛋白,但是由于无法避免猪源性白蛋白的产生,很难分离和提纯人血白蛋白。

2014年,中国军事医学科学院等机构的研究人员采用CRISPR/Cas9基因编辑系统,在猪受精卵基因组中用于产生猪白蛋白的区域,插入了一段可以合成人类白蛋白的DNA片段。在猪基因组中嵌入的等位基因位于猪白蛋白合成基因的下游。这就使得猪在产生人源性白蛋白的同时,不产生猪源性白蛋白,从而避免人源性白蛋白和猪源性白蛋白的混合。

让猪产生人源性白蛋白的具体做法是,植入300个基因组编辑后的受精卵到10只母猪体内,这些受精卵都携带有插入人血白蛋白的等位基因。此后,5只猪成功怀孕,产下了16只巴马猪崽。通过检测发现,16只猪崽来自携带人源性白蛋白基因的受精卵,并且它们的血液中能检测到人血白蛋白。不过,猪崽体内的人血白蛋白含量有所不同。进一步的繁殖试验表明,通过CRISPR/Cas9基因修饰工具插入的人源性基因可以传给这些猪崽的后代。

现在,中国科学院广州生物医药与健康研究院的研究人员已经培育出30多头完全表达人血白蛋白的基因修饰克隆猪。每只猪每周可以采血两次,一次1.5升以上,每年可以制成2.5千克以上的血清白蛋白,未来有望成为血清白蛋白的重要来源。

仅仅在2015年,中国全年血清白蛋白的用量(含进口量)就达到300吨。由于重组蛋白技術仍未正式上市,目前使用的均是来源有限的原料血浆。如果能让猪产生人源性白蛋白,将为治疗疾病提供更好的条件。

但是,目前让猪产出人血白蛋白的技术仍处于研究阶段,要大规模应用在人身上,还要解决生物安全问题。

作者:杨欣

来源:《百科知识》

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