本文轉(zhuǎn)載自“藥明康德”。
貝爾蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte）教授花了數(shù)年時(shí)間研究基因如何控制身體各個(gè)組織的形狀，是什么讓細(xì)胞發(fā)育成翅膀而不是腿。他像個(gè)交通警察一樣，引導(dǎo)細(xì)胞向左走還是向右走。他找到了一種方法，讓動(dòng)物長(zhǎng)出額外的肢體。他一直在思索，為什么蠑螈在失去身體的一部分后還能重新長(zhǎng)出完美的新器官。他想知道，人類(lèi)也能有這樣的能力嗎？
▲位于SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte實(shí)驗(yàn)室（圖片來(lái)源：STAT)
現(xiàn)在，貝爾蒙特教授的團(tuán)隊(duì)可能找到了一種方法，“人豬”嵌合體（chimeras）——含有人類(lèi)細(xì)胞的胚胎豬。
如果這項(xiàng)發(fā)明能夠應(yīng)用，最終將可以用來(lái)培育完整的人體器官，緩解器官移植的致命短缺。它們也可用于藥物臨床試驗(yàn)：豬體內(nèi)的人肺可能比目前用的試驗(yàn)動(dòng)物更能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在研藥物（例如囊性纖維化）的療效。
1他終于找到自己一生中最想做的事
57歲的貝爾蒙特教授出生在西班牙一個(gè)貧窮的農(nóng)民家庭，他8歲就輟學(xué)在田里干活，母親不識(shí)字。16歲時(shí)他才有機(jī)會(huì)重新入學(xué)。年輕的貝爾蒙特對(duì)科學(xué)毫無(wú)興趣，他想學(xué)哲學(xué)。但是在他前往哲學(xué)系的路上，一座美麗的建筑吸引了他，然后他就在那里注冊(cè)了——西班牙巴倫西亞大學(xué)（University of Valencia）藥學(xué)院。
▲巴倫西亞大學(xué)藥學(xué)院（圖片來(lái)源：巴倫西亞大學(xué)）
后來(lái)，貝爾蒙特教授一直念完博士，又去了德國(guó)海德堡的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室做博士后，研究胚胎基因?qū)W。在充滿了基因和胚胎組織的實(shí)驗(yàn)室，作為生物學(xué)家的貝爾蒙特教授考慮了一個(gè)哲學(xué)問(wèn)題：?jiǎn)我坏募?xì)胞怎么能發(fā)育成一個(gè)完整的個(gè)體？細(xì)胞分化的指示從哪里來(lái)？人類(lèi)與其他動(dòng)物究竟有多少差異？
他說(shuō)，他終于找到了自己一生中最想做的事。
1993年，貝爾蒙特教授加入Salk研究所，成為全球最著名的生物醫(yī)學(xué)研究所之一的一員。不久后，胚胎干細(xì)胞的研究開(kāi)始興起，這也讓貝爾蒙特教授看到了它的潛力。2003年，貝爾蒙特教授的祖國(guó)西班牙通過(guò)了一項(xiàng)批準(zhǔn)干細(xì)胞研究的法規(guī)。第二年，他就幫助建立了巴塞羅那再生醫(yī)學(xué)中心（Centro de Medicina Regenerativa de Barcelona），在那里可以開(kāi)展干細(xì)胞研究工作。這也讓他成為了西班牙干細(xì)胞研究的領(lǐng)軍人物。
在美國(guó)和西班牙的實(shí)驗(yàn)室，貝爾蒙特教授都不滿足于研究雞和老鼠——胚胎學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。他在實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)了墨西哥蠑螈（Mexican axolotls），這種兩棲動(dòng)物不僅可以再生肢體，還可以再生下巴，脊椎和大腦。
▲墨西哥蠑螈（圖片來(lái)源：Izpisúa Belmonte Lab）
他在圣地亞哥的實(shí)驗(yàn)室也是當(dāng)?shù)匮芯堪唏R魚(yú)（zebrafish）的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，斑馬魚(yú)的胚胎發(fā)育是透明的，肉眼就可以觀察。貝爾蒙特教授說(shuō)：“我的實(shí)驗(yàn)室就像一個(gè)動(dòng)物園”。
▲斑馬魚(yú)（圖片來(lái)源：Izpisúa Belmonte Lab）
他開(kāi)始探索四肢的再生。對(duì)貝爾蒙特教授來(lái)說(shuō)，四肢就像“身體外的小胚胎”。四肢包含許多不同類(lèi)型的細(xì)胞，包括肌肉，骨骼，皮膚和神經(jīng)，但是它們可以通過(guò)特定和復(fù)雜的模式，完成再生。另一方面，四肢也很像器官，兩者都有相同的基因和發(fā)育途徑。
2來(lái)自不同物種的組織可以一起生長(zhǎng)？
2006年，日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)現(xiàn)，成年細(xì)胞可以重新編程成干細(xì)胞，減輕大多數(shù)道德問(wèn)題，再次激活了干細(xì)胞研究領(lǐng)域（他后來(lái)被授予諾貝爾獎(jiǎng)）。一時(shí)間大家都認(rèn)為干細(xì)胞能夠產(chǎn)生任何物質(zhì)，包括人體器官，仿佛能夠解決一切醫(yī)學(xué)難題。許多實(shí)驗(yàn)室蜂擁而上研究干細(xì)胞，包括貝爾蒙特教授也嘗試過(guò)在支架上誘導(dǎo)表達(dá)不同的干細(xì)胞類(lèi)型，使其長(zhǎng)成特定的器官。
但這些試驗(yàn)大多以失敗告終。貝爾蒙特教授說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我們?cè)噲D用有限的知識(shí)來(lái)模擬自然”，但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)不能在培養(yǎng)皿中“訓(xùn)練”細(xì)胞，也不能形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
然后突然靈光一閃。貝爾蒙特教授想起他去德國(guó)做博士后發(fā)表的第一篇文章中，將小鼠胚胎組織移植到小雞胚芽后，發(fā)育正常。這表明，發(fā)育信號(hào)在不同的物種中可能是相似的，而且來(lái)自不同物種的組織可能可以一起生長(zhǎng)！原來(lái)，嵌合體的想法老早就在貝爾蒙特教授的腦中存在了，雖然此后它被擱置了很多年。
貝爾蒙特教授立馬在小鼠中開(kāi)展嵌合體研究。他成功了。各種類(lèi)型的人類(lèi)干細(xì)胞都可以在小鼠體內(nèi)生長(zhǎng)。但他很快發(fā)現(xiàn)，即使可以在老鼠身上長(zhǎng)出人類(lèi)的肝臟，體積也太小了，沒(méi)有使用價(jià)值。
貝爾蒙特教授想到了大型動(dòng)物。將多能干細(xì)胞注入早期胚胎的技術(shù)，已經(jīng)證明可以生成“人?！鼻逗象w。但是他發(fā)現(xiàn)豬更便宜，而且便于研究。豬和人類(lèi)在大約9600萬(wàn)年前擁有共同的祖先，豬的器官大小跟人相似，也有在人類(lèi)醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的先例。
▲貝爾蒙特教授和吳軍博士（圖片來(lái)源：SALK研究所）
所以，他最終選擇建立“人豬”嵌合體。但是，讓人類(lèi)細(xì)胞在豬體內(nèi)生長(zhǎng)比他們想象的困難得多。最后，這項(xiàng)研究花了4年時(shí)間，遠(yuǎn)超預(yù)期。
貝爾蒙特實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)研究員吳軍博士是項(xiàng)目主要研究人員，他說(shuō)：“我們?cè)疽呀?jīng)不指望（在豬胚胎里）看到任何人類(lèi)細(xì)胞了”。
34年，9000頭豬，2000個(gè)胚胎
貝爾蒙特教授最后是怎么實(shí)現(xiàn)這個(gè)不可能的任務(wù)，突破“人豬”嵌合體培育的重重困難呢？
首先，他利用了規(guī)模思維。他召集了西班牙農(nóng)場(chǎng)的40名豬農(nóng)，花了4年時(shí)間在9000頭豬身上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將人類(lèi)干細(xì)胞注入近2000個(gè)豬胚胎。
▲西班牙Agropor工廠的豬，供嵌合體實(shí)驗(yàn)使用（圖片來(lái)源：STAT）
其次，貝爾蒙特教授對(duì)發(fā)育的理解十分深刻。豬胚胎發(fā)育只要3個(gè)月，而人類(lèi)需要9個(gè)月，豬和人類(lèi)細(xì)胞在一起發(fā)育，就像高速公路上行駛不同速度的汽車(chē)，最后一定容易出事故。為了克服這個(gè)問(wèn)題，貝爾蒙特教授在實(shí)驗(yàn)中使用了不同年齡的人類(lèi)干細(xì)胞。理論上，接近原始分化狀態(tài)的干細(xì)胞可能最有效，因?yàn)樗鼈兙哂蟹只癁槿魏晤?lèi)型細(xì)胞的潛力；但最終結(jié)論是，豬胚胎更容易接受中間狀態(tài)或稍微老化的人類(lèi)干細(xì)胞。
此外，貝爾蒙特教授也考慮到干細(xì)胞發(fā)育的空間問(wèn)題，他是考慮該問(wèn)題的第一人。去年，他發(fā)表了一篇“區(qū)域特異性”干細(xì)胞的文章，發(fā)現(xiàn)一些干細(xì)胞的功能更強(qiáng)大是依賴(lài)于它們?cè)谂咛ブ械钠鹪次恢谩?/span>
在這項(xiàng)研究中，注入人類(lèi)多能干細(xì)胞的豬胚胎在培養(yǎng)皿里生長(zhǎng)了幾天后，被移植到代孕母豬體內(nèi)繼續(xù)發(fā)育。21到28天之后（豬的妊娠期是114天），研究員收集到186只存活的胚胎。
雖然成功率很低，但是他們做到了。通過(guò)在豬胚胎里注入人類(lèi)干細(xì)胞，貝爾蒙特教授團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了10萬(wàn)個(gè)人類(lèi)細(xì)胞中有1個(gè)能夠在豬胚胎里存活！
▲在4周齡的嵌合型豬胚胎中，發(fā)育中的心臟中的人類(lèi)細(xì)胞（綠色）（圖片來(lái)源：SALK研究所）
雖然人體細(xì)胞比例微乎其微。而且這離培育成器官，還隔著免疫排斥、神經(jīng)和血管生成的距離，但是哈佛醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)，干細(xì)胞研究專(zhuān)家Daley教授仍然將這個(gè)發(fā)現(xiàn)視為“巨大的突破”。
4CRISPR技術(shù)19天改變達(dá)爾文進(jìn)化規(guī)則
這離人類(lèi)器官移植的臨床需求又進(jìn)了一步。但是貝爾蒙特教授坦承，在豬身上培育人體器官還有很長(zhǎng)很長(zhǎng)的路要走。
首先，需要研究出人類(lèi)細(xì)胞比例更高的嵌合體?，F(xiàn)在他們已經(jīng)有了突破的方法。其中之一就是被譽(yù)為“魔剪”的基因編輯技術(shù)CRISPR。利用CRISPR來(lái)編輯參與器官發(fā)育的基因，可以在宿主的基因組中產(chǎn)生一個(gè)空位，然后插入理想的供體基因。
利用CRISPR進(jìn)行“小鼠大鼠”嵌合體的試驗(yàn)很成功，產(chǎn)生了胰腺、心臟和眼睛中富含大鼠細(xì)胞的小鼠。甚至在小鼠的膽囊內(nèi)，研究人員都觀察到了大鼠細(xì)胞。這個(gè)結(jié)果令貝爾蒙特教授令人震驚——數(shù)百萬(wàn)年以來(lái)，自然界的大鼠都沒(méi)有膽囊。
▲在嵌合小鼠胚胎中，發(fā)育中的心臟含有大量的大鼠細(xì)胞（圖片來(lái)源：SALK研究所）
他說(shuō)：“這真是太棒了，進(jìn)化的發(fā)生不需要經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年，而是19天（小鼠標(biāo)準(zhǔn)妊娠時(shí)間）”！
目前，貝爾蒙特教授正在致力于使用CRISPR技術(shù)來(lái)增加豬器官中的人體細(xì)胞數(shù)目。他們實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了兩種新型的干細(xì)胞，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)顯示這些干細(xì)胞在嵌合體中的存活能力更加強(qiáng)大。其中一種被認(rèn)為是干細(xì)胞研究的頂峰，因?yàn)槌四軌蛟隗w內(nèi)產(chǎn)生任何類(lèi)型的細(xì)胞之外，它還可以形成胚胎生存需要的組織，如胎盤(pán)和羊膜。
5結(jié)束語(yǔ)
由于倫理的原因，目前，這些“人豬”嵌合體不允許發(fā)育到胎兒階段。但是科學(xué)家希望，這項(xiàng)發(fā)明最終可以用來(lái)培育完整的人體器官，緩解器官移植的致命短缺。以美國(guó)為例，此時(shí)此刻，正在排隊(duì)等待器官移植的患者人數(shù)高達(dá)12萬(wàn)。然而，能夠用以移植的器官數(shù)量卻非常有限，死神往往比可移植的器官更早到來(lái)，奪走患者的生命。據(jù)估計(jì)，2016年，每天都有22名患者在等待器官移植的過(guò)程中死去。
為成千上萬(wàn)的絕望的人創(chuàng)造器官移植機(jī)會(huì)，這也是貝爾蒙特教授認(rèn)為他能做的最重要的事情之一。我們共同期待技術(shù)造福人類(lèi)健康的那一天早日到來(lái)。
End
參考資料：1）The creator of the pig-human chimera keeps proving other scientists wrong
2）First human-pig chimeras created, sparking hopes for transplantable organs — and debate
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