本文轉(zhuǎn)載自“藥明康德”。

貝爾蒙特（Juan Carlos Izpisua Belmonte）教授花了數(shù)年時間研究基因如何控制身體各個組織的形狀，是什么讓細胞發(fā)育成翅膀而不是腿。他像個交通警察一樣，引導(dǎo)細胞向左走還是向右走。他找到了一種方法，讓動物長出額外的肢體。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出完美的新器官。他想知道，人類也能有這樣的能力嗎？

▲位于SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte實驗室（圖片來源：STAT)

現(xiàn)在，貝爾蒙特教授的團隊可能找到了一種方法，“人豬”嵌合體（chimeras）——含有人類細胞的胚胎豬。

如果這項發(fā)明能夠應(yīng)用，最終將可以用來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：豬體內(nèi)的人肺可能比目前用的試驗動物更能準確地預(yù)測在研藥物（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貧窮的農(nóng)民家庭，他8歲就輟學(xué)在田里干活，母親不識字。16歲時他才有機會重新入學(xué)。年輕的貝爾蒙特對科學(xué)毫無興趣，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（圖片來源：巴倫西亞大學(xué)）

后來，貝爾蒙特教授一直念完博士，又去了德國海德堡的一個實驗室做博士后，研究胚胎基因?qū)W。在充滿了基因和胚胎組織的實驗室，作為生物學(xué)家的貝爾蒙特教授考慮了一個哲學(xué)問題：單一的細胞怎么能發(fā)育成一個完整的個體？細胞分化的指示從哪里來？人類與其他動物究竟有多少差異？

他說，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，胚胎干細胞的研究開始興起，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西班牙通過了一項批準干細胞研究的法規(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），在那里可以開展干細胞研究工作。這也讓他成為了西班牙干細胞研究的領(lǐng)軍人物。

在美國和西班牙的實驗室，貝爾蒙特教授都不滿足于研究雞和老鼠——胚胎學(xué)的標準實驗動物。他在實驗室飼養(yǎng)了墨西哥蠑螈（Mexican axolotls），這種兩棲動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（圖片來源：Izpisúa Belmonte Lab）

他在圣地亞哥的實驗室也是當?shù)匮芯堪唏R魚（zebrafish）的第一個實驗室，斑馬魚的胚胎發(fā)育是透明的，肉眼就可以觀察。貝爾蒙特教授說：“我的實驗室就像一個動物園”。

▲斑馬魚（圖片來源：Izpisúa Belmonte Lab）

他開始探索四肢的再生。對貝爾蒙特教授來說，四肢就像“身體外的小胚胎”。四肢包含許多不同類型的細胞，包括肌肉，骨骼，皮膚和神經(jīng)，但是它們可以通過特定和復(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來自不同物種的組織可以一起生長？

2006年，日本科學(xué)家山中伸彌發(fā)現(xiàn)，成年細胞可以重新編程成干細胞，減輕大多數(shù)道德問題，再次激活了干細胞研究領(lǐng)域（他后來被授予諾貝爾獎）。一時間大家都認為干細胞能夠產(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。許多實驗室蜂擁而上研究干細胞，包括貝爾蒙特教授也嘗試過在支架上誘導(dǎo)表達不同的干細胞類型，使其長成特定的器官。

但這些試驗大多以失敗告終。貝爾蒙特教授說：“當時我們試圖用有限的知識來模擬自然”，但是后來發(fā)現(xiàn)不能在培養(yǎng)皿中“訓(xùn)練”細胞，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)育信號在不同的物種中可能是相似的，而且來自不同物種的組織可能可以一起生長！原來，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展嵌合體研究。他成功了。各種類型的人類干細胞都可以在小鼠體內(nèi)生長。但他很快發(fā)現(xiàn)，即使可以在老鼠身上長出人類的肝臟，體積也太小了，沒有使用價值。

貝爾蒙特教授想到了大型動物。將多能干細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。豬和人類在大約9600萬年前擁有共同的祖先，豬的器官大小跟人相似，也有在人類醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的先例。

▲貝爾蒙特教授和吳軍博士（圖片來源：SALK研究所）

所以，他最終選擇建立“人豬”嵌合體。但是，讓人類細胞在豬體內(nèi)生長比他們想象的困難得多。最后，這項研究花了4年時間，遠超預(yù)期。

貝爾蒙特實驗室的高級研究員吳軍博士是項目主要研究人員，他說：“我們原本已經(jīng)不指望（在豬胚胎里）看到任何人類細胞了”。

34年，9000頭豬，2000個胚胎

貝爾蒙特教授最后是怎么實現(xiàn)這個不可能的任務(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)場的40名豬農(nóng)，花了4年時間在9000頭豬身上進行實驗，將人類干細胞注入近2000個豬胚胎。

▲西班牙Agropor工廠的豬，供嵌合體實驗使用（圖片來源：STAT）

其次，貝爾蒙特教授對發(fā)育的理解十分深刻。豬胚胎發(fā)育只要3個月，而人類需要9個月，豬和人類細胞在一起發(fā)育，就像高速公路上行駛不同速度的汽車，最后一定容易出事故。為了克服這個問題，貝爾蒙特教授在實驗中使用了不同年齡的人類干細胞。理論上，接近原始分化狀態(tài)的干細胞可能最有效，因為它們具有分化為任何類型細胞的潛力；但最終結(jié)論是，豬胚胎更容易接受中間狀態(tài)或稍微老化的人類干細胞。

此外，貝爾蒙特教授也考慮到干細胞發(fā)育的空間問題，他是考慮該問題的第一人。去年，他發(fā)表了一篇“區(qū)域特異性”干細胞的文章，發(fā)現(xiàn)一些干細胞的功能更強大是依賴于它們在胚胎中的起源位置。

在這項研究中，注入人類多能干細胞的豬胚胎在培養(yǎng)皿里生長了幾天后，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。通過在豬胚胎里注入人類干細胞，貝爾蒙特教授團隊實現(xiàn)了10萬個人類細胞中有1個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細胞（綠色）（圖片來源：SALK研究所）

雖然人體細胞比例微乎其微。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，干細胞研究專家Daley教授仍然將這個發(fā)現(xiàn)視為“巨大的突破”。

4CRISPR技術(shù)19天改變達爾文進化規(guī)則

這離人類器官移植的臨床需求又進了一步。但是貝爾蒙特教授坦承，在豬身上培育人體器官還有很長很長的路要走。

首先，需要研究出人類細胞比例更高的嵌合體?，F(xiàn)在他們已經(jīng)有了突破的方法。其中之一就是被譽為“魔剪”的基因編輯技術(shù)CRISPR。利用CRISPR來編輯參與器官發(fā)育的基因，可以在宿主的基因組中產(chǎn)生一個空位，然后插入理想的供體基因。

利用CRISPR進行“小鼠大鼠”嵌合體的試驗很成功，產(chǎn)生了胰腺、心臟和眼睛中富含大鼠細胞的小鼠。甚至在小鼠的膽囊內(nèi)，研究人員都觀察到了大鼠細胞。這個結(jié)果令貝爾蒙特教授令人震驚——數(shù)百萬年以來，自然界的大鼠都沒有膽囊。

▲在嵌合小鼠胚胎中，發(fā)育中的心臟含有大量的大鼠細胞（圖片來源：SALK研究所）

他說：“這真是太棒了，進化的發(fā)生不需要經(jīng)過數(shù)百萬年，而是19天（小鼠標準妊娠時間）”！

目前，貝爾蒙特教授正在致力于使用CRISPR技術(shù)來增加豬器官中的人體細胞數(shù)目。他們實驗室發(fā)現(xiàn)了兩種新型的干細胞，現(xiàn)有實驗顯示這些干細胞在嵌合體中的存活能力更加強大。其中一種被認為是干細胞研究的頂峰，因為除了能夠在體內(nèi)產(chǎn)生任何類型的細胞之外，它還可以形成胚胎生存需要的組織，如胎盤和羊膜。

5結(jié)束語

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，這項發(fā)明最終可以用來培育完整的人體器官，緩解器官移植的致命短缺。以美國為例，此時此刻，正在排隊等待器官移植的患者人數(shù)高達12萬。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，奪走患者的生命。據(jù)估計，2016年，每天都有22名患者在等待器官移植的過程中死去。

為成千上萬的絕望的人創(chuàng)造器官移植機會，這也是貝爾蒙特教授認為他能做的最重要的事情之一。我們共同期待技術(shù)造福人類健康的那一天早日到來。

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