世界上第一個人豬混合胚胎被創造出來了!

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走向實驗室培養器官的一大步

有史以來第一次,研究人員成功地在實驗室的早期豬胚胎中培養人類細胞,創造出人豬混種;研究人員形容為品種間的嵌合體(interspecies chimeras)。

在實驗中,美國的研究人員將人類幹細胞注射到豬的早期胚胎,然後把這些混雜胚胎轉移到替代母豬,並且允許發育到頭3個月。

超過150個胚胎發育成嵌合體,意味著它們發育出器官的前身,包括心臟和肝臟;但它們包含少量的人類細胞,大約萬分之一的混雜細胞是人類細胞。

來自加州索爾克研究所(Salk Institute)的研究小組成員胡安‧卡洛斯‧伊斯皮蘇亞‧貝爾蒙特(Juan Carlos Izpisua Belmonte)說:「藉由提供前所未有的能力,來研究早期胚胎發育和器官形成,以及潛在的新的醫學治療途徑,我們的研究成果可能為提升科學和醫學提供了希望。」

「我們展示一項精準的標靶科技,能夠讓一個物種的生物生出一個特定的器官,而這個特定器官含有另一個物種的細胞。」

回到2015年,伊斯皮蘇亞‧貝爾蒙特和研究小組在實驗室裡進行實驗,要創造出品種間的嵌合體。

他們的早期研究成功地將人類幹細胞整合到老鼠胚胎,這顯示人類幹細胞可以在另一個物種內發育,創造出全世界第1個嵌合體。

伊斯皮蘇亞‧貝爾蒙特解釋:「這提供給我們一項重要的工具,來研究物種進化、生物學和疾病,而且可能最終導致培養人類器官用於移植的能力。」

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人豬胚胎是這些實驗的頂點,但沿著實驗過程還有另外兩項重要的步驟。研究小組的第一項實驗涉及到使用CRISPR-Cas9,一種用於基因編輯技術的多功能新工具,來關閉老鼠生出胰腺的基因。然後把大鼠的幹細胞插進小鼠,這隻小鼠含有培養大鼠胰腺(pancreas)所需的遺傳訊息。

儘管有不同品種的胰腺在體內培養、正常發育,這些胚胎促使他們嘗試類似的實驗,像是在老鼠體內培養一組大鼠的眼睛和大鼠心臟。

最值得注意的是,他們還能夠從大鼠的幹細胞在小鼠體內培養膽囊,這是獨特的,因為大鼠根本沒有膽囊(gallbladder)。

同樣來自索爾克研究所的研究小組成員Jun Wu解釋:「我們的囓齒動物實驗揭露一個深奧的秘密,一隻發育中的小鼠能夠解開在大鼠細胞中的膽囊發育程序,這個程序通常在大鼠發育過程中被抑制。」

「這突顯宿主環境在控制器官發育和進化物種形成方面的重要性。」

第二項實驗嘗試將大鼠和小鼠幹細胞加進早期階段的豬胚胎中。有趣的是,把這些細胞束移植回豬體內,在持續懷孕大約4週後,沒有任何囓齒動物幹細胞的跡象。

第三項實驗更上一層樓,他們把人類幹細胞加到豬的胚胎細胞叢和母牛的胚胎細胞,形成兩種新的嵌合體。幾天後,他們調查這些細胞,並且發現人類細胞依然在發育。

這些實驗全都導致研究小組的最大研究成果:能夠創造出在豬的子宮內繼續發育人豬混種的能力。

為了做到這點,研究小組取出人類誘導性多功能幹細胞(induced pluripotent stem cell,iPS),一如往常,插進豬的胚胎。然後把胚胎移植到母豬,並且讓這些細胞孕育4個星期。之後,他們決定來看實驗進行的如何。

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這裡是一個便利的圖形,更詳細地解釋不同的過程:


Wu et al

他們發現在胚胎中的一些人類細胞開始分化,並且變成人類組織的前身;指出這些細胞在豬的胚胎中存活且繁殖。

雖然人類幹細胞在植入的豬胚胎內無法起作用,和大鼠的幹細胞在小鼠體內一樣。但這是第一次人豬嵌合體在實驗室裡被成功地創造出來,是朝向研究小組真正的最終目標的一大步,這個目標是弄清楚如何在實驗室培養器官。

伊斯皮蘇亞‧貝爾蒙特說:「當然,嵌合體研究的終極目標是學習我們是否能夠利用幹細胞和基因編輯技術,來產生基因配對的人體組織和器官,而且我們是非常樂觀的,持續的努力將導致最終的成功。」

如同你可能猜到,這類的研究會帶來一大堆安全和道德的關切。

一個重要的反對理由是讓病毒更容易跳過之前是關閉的物種障礙的機會。還有為了醫學理由的噁心因素,這樣密切混和人類和動物的組織,以及這些混雜的豬可能發育出更多人類大腦的關切。

伊斯皮蘇亞‧貝爾蒙特告訴英國衛報(The Guardian)的漢娜‧達夫林(Hannah Devlin):「動物生出含有人類細胞的想法,會創造出一些需要被處理的感覺。」

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這項實驗的混雜胚胎在28天後(豬的頭3個月)停止發育,以避免進一步的道德問題。

對於這些假設性問題,沒有人真的有任何答案,而這是造成研究似乎是如此可怕的部分原因。事實上,美國國家衛生研究院(National Institutes of Health,NIH)之前發布一項暫停人類嵌合體研究,表示他們正在解除的過程。

但也是很重要來考慮美國每天有22個人死於等待器官移植,以及每10分鐘就有一人被加入等待名單。這就是為什麼許多人認為繼續這項研究是很重要的,只要它被很好地規範。

研究小組的成果發表於細胞(Cell)期刊。 請看下面的影片,聽取研究小組討論他們的成果。

來源:ScienceAlert