2008年4月1日,据报道,英国纽卡斯尔大学研究人员称,他们成功培育出了人兽混合胚胎。在此项研究中,纽卡斯尔大学把从人类皮肤细胞中提取的DNA注入来自母牛卵巢的卵子。经过在实验室的3天发育,他们最终得到了所谓的人兽混合胚胎--人的DNA 占99.9%,牛的只有0.1%。这个混合胚胎,研究人员培育了6天,然后从中取出干细胞供研究。
2019年3月,日本批准允许将胚胎移植到代孕动物的子宫中,以便在观察期内生长。此前,日本禁止含有人类细胞的动物胚胎生长超过14天,并禁止将这些胚胎移植到代孕子宫中。这项研究在小鼠和大鼠胚胎中培养人类细胞,然后将这些胚胎移植到代孕动物体内。最终目标,是在动物体内培育能用于移植手术的人类器官,也就是说,这些器官最终将用于人体。
4月15日发表在《细胞》杂志上的一项研究中,来自中国昆明理工大学和美国沙克生物学研究中心等研究机构的研究人员基于之前的研究工作,将人类干细胞注射到灵长类动物的胚胎中,并能够在相当长的一段时间内(最多20天)生长嵌合胚胎。在本研究中,科学家们使用了和人亲缘关系更近的动物——猴子。
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.020
多能干细胞(PSCs)能够在培养中进行无限期的自我更新,并生成所有的成体细胞类型。PSCs已经通过囊胚互补被用于种间器官发生,这种技术有提供大量体内生成的人类细胞、组织和器官用于再生医学应用的潜力,包括器官移植。
人类多能干细胞(hPSCs)的物种间嵌合体形成代表了评估hPSC体内多能性的必要选择,可能构成各种再生医学应用的一个有希望的策略,包括用于移植的器官和组织的生成。但是,过去的研究显示,猪、大小鼠等与人类亲缘关系较远的胚胎中, hPSCs嵌合体的形成有限,几乎不可能形成真正的人类器官。
不同多能状态的hPSCs表现出不同的转录、表观遗传和代谢特征。当引入动物胚胎时,它们的嵌合潜能也不同。最近,研究人员鉴定了人类扩展PSCs (hEPSCs)在小鼠概念中显示了改善的嵌合能力。但是,迄今为止,其他物种的hEPSCs嵌合能力尚未确定。
在这项研究中,科学家们将人类扩展的多能干细胞(EPS)注射到猴的早期胚胎中,制造了嵌合体。研究小组对嵌合体进行了长达20天的培养,发现高达7%的胚胎细胞可以追溯到人类EPS细胞的血统。
本研究的图示(图片来源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.03.020)
研究人员给132个6天大的猴子胚胎分别注射了25个人类EPS细胞。1天后,研究人员在132个胚胎中检测到人类细胞。10天后,103个嵌合胚胎仍在发育。但存活率很快开始下降,到了第19天,只有3个嵌合体存活。
除了存活率提升之外,人细胞在人-猴胚胎中的占比也达到了 2%~7%,且在上胚层和下胚层中均有出现。上胚层与下胚层是囊胚(胚胎早期的一个阶段)的两个结构;随着胚胎发育,这两部分细胞将进一步发展为外胚层、中胚层、内胚层等,最终分化产生动物体的全部器官。
接下来,研究人员分析了在嵌合体发育过程中基因的活性,并观察到一组与未注射人类细胞的猴子胚胎不同的基因,确定了可以促进人类和猴子细胞结合的分子途径。该研究下一步的重点是更详细地评估参与种间通信的所有分子途径,并找出对发育过程至关重要的途径。
从长远来看,研究人员希望,不仅能利用嵌合体研究早期人类发育、设计疾病模型,更能找到筛选新药以及产生可移植细胞、组织或器官的新方法。
同时,这项最新研究也在科学界内引发了伦理方面的争议。
《科学》在对这项研究报时提到,通过将人类干细胞引入到其它动物的胚胎中,我们有朝一日能制造出新的心脏和肾脏,拯救需要接受移植的患者。研究人员向这一目标迈出了一步,创造了第一个由人类和猴子细胞混合而成的胚胎。
然而,密歇根大学干细胞生物学家安德鲁·克兰指出人类细胞和猴子细胞并没有完全融合。人类细胞经常粘在一起,这让他怀疑,如果胚胎进一步发育,是否存在“另一个我们没有看到的障碍”,可能会阻止人类细胞的发展。
《自然》杂志则表示:科学家首次成功培育出含有人类细胞的猴子胚胎,这对于这个发展迅速却也引发了伦理大讨论的领域而言,是一个新的里程碑。但是,倘若这些人—猴混合胚胎被植入到动物体内,最后发育成某种生物,甚至最终被生下,那么面临的伦理问题显然要复杂得多。
在生成和研究人类-动物嵌合胚胎时,特别是在涉及非人类灵长类动物时,会有重大的伦理考虑。国际上都有不同的准则,对于科学家、生物伦理学家、政策制定者和资助机构来说,保持这些指导方针与相关科学与时俱进以及造福社会是很重要的。对于该研究,研究人员表示事先对研究计划和方案进行了广泛的审查。既在机构层面上进行了伦理咨询和审查,也通过与在国家和国家生物伦理政策方面具有经验的非附属生物伦理学家进行了联系。此外,该研究仅限于早期阶段的嵌合胚胎发育。
参考资料:
Tao Tan et al. Chimeric contribution of human extended pluripotent stem cells to monkey embryos ex vivo. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.03.020.