中國科學家在豬體內培養出人源腎臟

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中國科學院廣州生物醫學與健康研究院研究員賴良學、潘光錦、戴禎、Miguel Esteban與合作者成功制造出包含人細胞和豬細胞的嵌合胚胎。研究者將其移植到代孕母豬體內28天后，發育中的人源腎臟結構和腎小管形成正常。相關研究9月7日發表于《細胞—干細胞》。

這是科學家第一次能夠在另一個物種體內培養出一個實體人源器官，之前的研究使用類似方法在豬體內培養出血液或骨骼肌等人體組織。

“小鼠的器官已經在大鼠身上培育出來了，大鼠的器官也在小鼠身上培育出來了，但之前在豬身上培育人類器官的嘗試都沒有成功。我們的方法改善了人細胞與受體組織的整合，使我們能夠在豬身上培養人類器官。”賴良學說。

將人類干細胞整合到豬胚胎中一直是一個挑戰，因為豬細胞比人細胞更具競爭力，而且豬細胞和人細胞有不同的生理需求。

“我們一直在研究如何克服物種間嵌合體效率極低的問題。”潘光錦說，“我們發現了幾個關鍵因素，可以通過促進細胞競爭來促進種間嵌合體的形成。”

據介紹，這些技術包括3個關鍵組成部分。首先，研究人員利用CRISPR基因編輯技術對單細胞豬胚胎進行改造，使其缺失腎臟發育所需的兩個基因，在豬胚胎中創造了一個空位，使人細胞不必與豬細胞競爭；其次，他們改造了人類多能干細胞（一種有潛力發展成任何細胞類型的細胞），通過暫時關閉細胞凋亡，使它們更容易整合，更不容易自我毀滅。然后，他們將這些細胞培養在一種特殊的培養基中，轉化為類似于早期人類胚胎細胞的“天然”細胞；最后，在將發育中的胚胎植入代孕母豬之前，他們在能為人細胞和豬細胞提供獨特營養和信號的最優條件下培養了嵌合體，因為人細胞和豬細胞通常有不同的需求。

研究人員共將1820個胚胎移植給了13頭母豬。在25天或28天后，他們終止妊娠并提取胚胎，以評估嵌合體是否成功地產生了人源腎臟。研究者收集了5個嵌合胚胎（植入后25天的2個和植入后28天的3個）進行分析，發現其具有發育階段結構正常的腎臟，并由50%~60%的人類細胞組成。25~28天后，腎臟進入中腎期（腎臟發育的第二階段），形成了小管和細胞芽，這些最終將發育成連接腎臟和膀胱的輸尿管。

之所以研究腎臟，是因為它是最早發育的器官之一，也是人類醫學中最常見的移植器官。該團隊還研究了人類細胞能否在整個胚胎中對其他組織有影響，特別是是否能在豬的神經或生殖系組織中發現大量的人類細胞。他們發現，人細胞絕大部分位于腎臟，而胚胎的其余部分則由豬細胞組成。

“我們發現，如果在豬胚胎中創造一個空位，那么人細胞就會自然地進入這些空間。”戴禎說，“我們在大腦和脊髓中只發現了很少的人類神經細胞，在生殖嵴中沒有發現人細胞，這表明人類多能干細胞沒有分化成生殖細胞。”

研究者表示，通過敲除人類多能干細胞中的更多基因，可以進一步防止這種情況的發生，這可以在未來的研究中進行測試。現在，他們已經優化了在人豬嵌合體中生長人源腎臟的條件，并希望能讓腎臟發育更長的時間。他們還計劃在豬身上培育包括心臟和胰腺在內的其他人體器官。

賴良學和合作者的長期目標是優化這項技術以便用于人體器官移植，這項復雜的研究可能需要多年時間。由于器官由多種類型的細胞和組織組成，在豬身上培養一個功能齊全的人源器官還需要一些額外的步驟。此次研究中，科學家僅為一種細胞亞群創造了一個空位，這意味著腎臟中含有豬血管細胞，如果用于移植，可能會導致排異。

“因為器官不僅僅是由一個細胞譜系組成的，為了讓一個器官的一切都來自人類，我們可能需要用更復雜的方式來‘改造’豬，這也帶來了一些額外的挑戰。”Esteban說，該技術可用于研究人體器官的發育和發育性疾病。

“在能制造可供臨床使用的器官之前，這種方法為研究人類發育提供了一個窗口。”Esteban說，“你可以追蹤注入的人類細胞并操縱它們，進而研究疾病和細胞譜系是如何形成的。”

圖片顯示了胚胎內的人源化腎細胞（紅色熒光）與野生型豬胚胎對比。圖片來源：CELL STEM CELL