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对于那些遭遇致命器官病变的患者来说，器官移植已成为他们重获新生的唯一希望，但是全球性器官严重短缺，又让希望变成绝望。2017年1月26日，美国和西班牙科研小组在国际著名学术刊物《细胞》上公布了一项人猪嵌合胚胎的开创性研究成果，使得科学家利用猪的身体生产出人类器官的梦想又向现实靠近了一步，有望解决这一国际性难题。
人猪嵌合胚胎培育成功
自上世纪50年代人类首次成功实施器官移植手术以来，器官移植手术已成为挽救器官病变患者的主要手段，常见的移植器官包括肾、心、肝、肺和胰腺等。据世界卫生组织报告显示，全球每年实施的器官移植超过11万例。由于医疗技术先进和国民器官捐献率较高，美国是实施器官移植最多的国家之一，过去25年，美国实施的实体器官移植数量超过60万例。中国每年实施的器官移植手术则只有1万例左右，却有100多万病人在苦苦等待器官供体。显然，绝大多数病人只能痛苦地接受没有可供移植的器官供体的现实，器官供体严重短缺也已成为国际性难题。
大多数国家的器官移植主要依靠志愿者捐献，但是受宗教、传统观念等多种因素影响，志愿者捐献的器官数量难以满足巨大的临床需求，科学家们将目光转向了动物身上。由于猪的器官大小、生理结构、代谢特性与人的较为接近，而且猪饲养方便，生长快速，已经成为异种器官移植的理想供体，而将人多能干细胞移植到猪的早期胚胎，制作成人猪嵌合胚胎，希望能在猪身上长出人类器官，以供人类器官移植，则是异种器官移植研究领域的最新方向。
2017年1月26日，美国《细胞》杂志发表了一篇关于人与动物嵌合胚胎的研究论文。该项研究由美国索尔克生物研究所牵头，西班牙穆尔西亚大学等研究机构参与，华人科学家吴军博士是该论文的第一作者。这篇论文之所以引起媒体和公众的广泛关注，是因为该研究在国际上首次实现了人多能干细胞与猪早期胚胎成功嵌合，重新燃起异种器官移植的希望。
吴军等人首先在实验室利用人的皮肤组织诱导生成人多能干细胞，理论上这种多能干细胞在一定条件下可以分化成任何人体细胞，包括心肌细胞、神经细胞等，研究人员将这些诱导多能干细胞移植到猪的早期胚胎，成功培育出一批人猪嵌合胚胎，这些胚胎在代孕母猪子宫内发育了3到4周时间，这相当于人类怀孕8到10周。与普通胚胎相比，这些嵌合胚胎在母猪体内的发育情况没有显著差异。由于担心伦理争议，研究人员提前终止了妊娠。
研究人员在这些人猪嵌合胚胎中检测到了不同程度的嵌合，不过人细胞在猪胚胎中的嵌合率非常之低，估计每万个猪细胞中仅有1个人类细胞，低于大鼠多能干细胞在小鼠胚胎中的嵌合率，一方面显示人和猪之间的进化距离要大于大鼠和小鼠的，另一方面也可能因为研究人员并没有对猪胚胎进行基因编辑，从而形成器官“空位”以供人的多能干细胞来填补。
这一探索性研究是国际上第一次证明人类细胞能在猪胚胎中存活，不过并没有观察到这些人类细胞是否能在人猪嵌合胚胎中发育成人类器官。在同一篇论文中，研究人员还建立了啮齿动物模型，验证了异种培育的嵌合器官能在体内正常发育，并发挥正常生理功能。
图1 人猪嵌合胚胎
异种培育器官功能正常
在培育人猪嵌合胚胎之前，美国索尔克生物研究所研究人员首先建立大鼠与小鼠嵌合胚胎模型，以验证了其研究思路的可行性，他们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，敲除掉小鼠受精卵中一些决定器官生成的关键基因，使得这些小鼠的胰脏、心脏和眼睛等器官不能正常发育，形成了器官“空位”，然后将大鼠的多能干细胞注射到上述经基因编辑的小鼠胚胎中，构建成小鼠与大鼠嵌合胚胎，结果发现这些嵌合胚胎能在小鼠子宫内正常生长发育，出生后能健康生活两年以上，相当于人类寿命的60岁左右。更令人惊喜的是，尽管控制小鼠胰脏和眼睛等器官发育的基因被敲除，这些嵌合小鼠在大鼠多能干细胞的帮助下，成功发育出新的嵌合胰脏和眼睛等器官，并能在小鼠体内发挥正常生理功能。
就在上述论文在《细胞》上发表的前一天，英国著名学术期刊《自然》杂志也在线发表了日本科学家的类似研究成果。日本东京大学等机构研究人员采用与吴军等人类似的技术路线，就如同事前达成默契一样，日本科学家将大鼠和小鼠进行了对调，他们利用基因编辑技术将控制大鼠胰脏发育的基因敲除，再将小鼠多能干细胞移植到大鼠早期胚胎中，培育出大鼠与小鼠嵌合胚胎，结果，新生大鼠长出了含有小鼠细胞的嵌合胰脏，大小与大鼠胰脏差不多。
比美国科学家的研究更加深入的是，日本研究人员从这种嵌合胰脏中分离出能正常分泌胰岛素的胰岛组织，并移植到患糖尿病的小鼠体内后，成功控制了小鼠的血糖水平，1年后小鼠的血糖值依然维持在正常水平。
上述两项研究表明，利用多能干细胞嵌合胚胎实现异种器官大规模生产的科学幻想有可能成为现实，科学家下一步将猪等大动物身上开展类似研究，以进一步确证利用猪的身体生产可供移植人类嵌合器官的可行性。
通过这些研究，科学家们最终希望，能从那些需要器官移植的病人采集皮肤细胞，再诱导产生多能干细胞，进而培育成人猪嵌合胚胎，在猪等动物体内生产出含有功能性人类细胞或组织的嵌合器官，最后将这些嵌合器官移植到病人体内，以减轻或消除异种器官移植所面临的最大障碍——免疫排斥反应。
猪器官人源化也已开展
早在100多年前，就有人尝试将猪的器官直接移植到病人体内，但均以失败告终。原来人体与其它动物一样，在漫长的进化过程中，形成了一套识别和清除外来组织器官的保护机制，即免疫排斥。一旦有外来组织器官进入，动物体就会启动免疫排斥反应，识别出外来的细胞、组织或器官，并启动清除程序，严重时，几分钟或数小时内就会让外来组织器官失活坏死，即超急性排斥反应，是异种器官移植面临的最主要障碍之一。
即使没有被超急性排斥反应所破坏，异种器官还将面临急性血管性排斥反应、细胞排斥反应等的多重考验，相继将出现血栓血塞、血管内皮细胞坏死等障碍，而被植入的异种器官最终似乎难逃被扫地出门的命运，连带受试病人也不得不为自己的顽固排他行为付出惨痛代价。
因此，异种器官移植要获得成功，必须解决免疫排斥反应。除了上述利用人猪嵌合胚胎直接培育“人类”器官，国际上还有另外一个重要的研究方向，即通过基因改造，将猪器官“伪装”成人类的器官，人的免疫系统无法对这些人源化的猪器官发动攻击。
当然要骗过人类的免疫系统并不是一件容易的事情，首先要将猪细胞表面特有的抗原成分去除，科学家研究发现，除了人类和其它灵长类动物之外，绝大多数哺乳动物的细胞表面都存在一种由α-1,3-半乳糖苷转移酶催化产生的抗原表位，灵长类动物体内天然存在的抗体能特异识别这种抗原表位，是引起超急性免疫排斥反应的主要原因，如果能将调控该酶表达的基因去掉，猪器官表面则不会形成特异抗原表位；其次，通过转基因技术，让猪的器官上皮细胞表达一些人的补体调节蛋白，将猪的器官人源化，人和其他灵长类动物则会误认为是同类的器官，也可以避免或减轻超急性排斥反应。
2016年4月，美国国立卫生研究院心胸外科研究项目团队在《自然-通讯》上公布了令人振奋的研究成果，该团队早在3年前就培育出一种携带人膜辅蛋白基因和人血栓调节蛋白基因，同时α-1,3-半乳糖苷转移酶基因敲除的基因工程猪，研究人员取出上述基因工程猪的心脏，移植到五只狒狒体内，借助一些抗排斥药物，猪的心脏在五只狒狒体内平均存活298天，最长移植存活时间达945天，创造了最长的异种器官存活记录。不过该项研究主要为了研究异种器官排斥反应的机制和抗排斥药物的功效，研究人员并没有取出狒狒自身的心脏。该团队下一步计划将直接用猪心替代狒狒自己的心脏，以了解狒狒仅依靠猪心能活多长时间。
图2 正在进行猪器官手术
争议和希望
无论是人猪嵌合器官，还是人源化猪器官，一旦在关键技术上实现突破，不仅能大规模生产可供移植的器官移植短缺问题，还能利用基因工程技术，针对病人订制免疫排斥反应小的异种器官，这是人体捐献器官都无法比拟的优势。
不过，这些前沿科技，对大多数民众来说，似乎只是神话故事或科幻小说里才有的情节。因此，这些异种器官培育和移植在公众和管理层里还存在较大的伦理争议。
有人担心这些嵌合猪会不会越来越接近于人类，甚至拥有人类的思维与意识。不过从事异种器官移植研究的科学家们认为这种情况发生的概率几乎为零，因为这些异种器官只含有少量的人类细胞或少数几个人类基因，而且科学家可以对人多能干细胞的发育进行调控，以分化成所需要的组织器官，同时也可限制其向神经系统或生殖系统分化。当然科学家们也非常谨慎，正如美国明尼苏达大学神经外科专家沃尔特·洛教授对英国BBC所说，“我们会仔细监控每一个嵌合胚胎，如果发现其比较接近人类，我们将马上终止妊娠。”洛教授团队正在尝试利用人猪嵌合胚胎，生产人类神经元，以治疗帕金森等神经疾病。
另一些人则担心这些异种器官移植会将猪的病毒传播到人身上，特别是一些潜伏在猪基因组中的逆转录病毒。虽然科学家们至今并没有观测到猪逆转录病毒感染人的案例，但是鉴于艾滋病病毒的危害，这一担心实际上已成为异种器官移植难以临床应用的重要障碍之一。
不过到2015年10月，美国哈佛大学研究人员利用基因编辑技术解决了这一问题。来自中国的杨璐菡博士等人根据猪的内源性逆转录病毒基因序列，设计了一种特殊的CRISPR-Cas9“基因剪刀”，成功将猪肾上皮细胞基因组中全部62个的内源逆转录病毒基因剪切失活，随后研究人员将基因编辑后的猪细胞和人细胞在一起培养，发现猪病毒的侵染率只是未经基因编辑猪细胞的千分之一。这是国际上首次在全基因组实现内源性逆转录病毒基因的编辑剪切，无疑也是异种器官移植领域的里程碑成果，难怪该成果在美国《科学》杂志发表后，很多顶级科学家和媒体纷纷表示，这项研究有望重新开启异种器官移植研究的黄金时代。
基于这些担心和伦理争议，各国政府也对人体嵌合胚胎研究的态度。法国、日本、德国等国家立法禁止对人类胚胎进行嵌合研究，即禁止将动物干细胞引入人类胚胎中，但是对进行人干细胞与动物胚胎的嵌合研究则没有明确规定。美国没有法律禁止此类研究，但是国立卫生研究院（NIH）2015年9月曾表示将不资助人与动物嵌合研究，美国索尔克生物研究所的人猪嵌合胚胎研究就曾受到影响，不过一年以后，经过与科学家们、伦理学家等研讨，NIH的态度近期发生了转变，将对此类研究申请进行个案分析。
由于市场需求巨大，尽管政府的支持态度不太明朗，但是风险资本对此似乎表现出较大的兴趣。2014年5月，美国联合治疗集团旗下Lung生物技术公司计划投资5000万美元开展人源化猪器官研究，其旗下的Revivicor公司则正在北卡罗莱纳州建设世界最大的异种器官工厂，计划每年生产1000个以上的器官。
显然，异种器官移植离真正临床应用还为时尚早。除了诸多技术难题尚待解决之外，这些异种器官培育和移植还存在较大的伦理争议，科学家们应该充分考虑公众对这些前沿技术的担忧和顾虑，谨慎开展相关研究，在解决所有技术难题和确保安全之前，不应贸然开展异种器官移植的临床应用。
图3 iPS细胞嵌合器官应用流程图
本文首发于2017年2月16日《南方周末》，http://www.infzm.com/content/122962
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