世界首次！中國科學(xué)家在豬身上培育出類似人類的腎臟
——研究人員在豬體內(nèi)培育胚胎人源化腎28天
研究人員已經(jīng)成功地創(chuàng)造了包含人類和豬細(xì)胞組合的嵌合胚胎。移植到代孕母豬體內(nèi)28 d后，發(fā)育中的人源化腎臟結(jié)構(gòu)正常，小管形成。這是科學(xué)家首次能夠在另一個物種體內(nèi)培育出一個堅實的人源化器官，盡管之前的研究曾使用類似的方法在豬身上培育出血液或骨骼肌等人體組織。
廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院的研究人員成功地創(chuàng)造了包含人類和豬細(xì)胞組合的嵌合胚胎。移植到代孕母豬體內(nèi)28 d后，發(fā)育中的人源化腎臟結(jié)構(gòu)正常，小管形成。這是科學(xué)家首次能夠在另一個物種體內(nèi)培育出一個堅實的人源化器官，盡管之前的研究曾使用類似的方法在豬身上培育出血液或骨骼肌等人體組織。這項研究發(fā)表在9月7日的《細(xì)胞干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）雜志上。
研究人員之所以關(guān)注腎臟，是因為腎臟是最早發(fā)育的器官之一，也是人類醫(yī)學(xué)中最常見的移植器官。
中國科學(xué)院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院和五邑大學(xué)的資深作者包括Liangxue（薛亮，音譯）, Guangjin Pan（潘廣進，音譯）, Dai Zhen（貞黛，音譯）和Miguel A. Esteban。
研究人員指出：
老鼠器官已經(jīng)在小鼠身上培育出來，老鼠器官也已經(jīng)在大鼠身上培育出來，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類細(xì)胞與受體組織的整合，并允許我們在豬身上培育人類器官。
將人類干細(xì)胞整合到豬胚胎中一直是一個挑戰(zhàn)，因為豬的細(xì)胞比人的細(xì)胞更具競爭力，而且豬和人的細(xì)胞有不同的生理需求。
研究人員指出：
我們一直在研究克服物種間嵌合體效率極低的機制，我們確定了幾個通過促進細(xì)胞競爭來增強種間嵌合體形成的關(guān)鍵因素。
該團隊的技術(shù)取決于三個關(guān)鍵組成部分：
首先，他們利用CRISPR對單細(xì)胞豬胚胎進行基因工程改造，使其缺失腎臟發(fā)育所需的兩個基因，從而在豬胚胎內(nèi)創(chuàng)造了一個生態(tài)位，這樣人類細(xì)胞就不必與豬細(xì)胞競爭。
第二，研究人員對人類多能干細(xì)胞進行了基因工程改造，這些細(xì)胞有可能發(fā)展成任何類型的細(xì)胞，使它們更易于整合，并且通過暫時停止細(xì)胞凋亡而不太可能自我毀滅。然后，他們將這些細(xì)胞在一種特殊的培養(yǎng)基中培養(yǎng)成類似于早期人類胚胎細(xì)胞的“na?ve”細(xì)胞。
第三，在將發(fā)育中的胚胎植入代孕母豬之前，研究人員在經(jīng)過優(yōu)化的條件下培養(yǎng)嵌合體，以便為人類和豬的細(xì)胞提供獨特的營養(yǎng)和信號，因為這些細(xì)胞通常有不同的需求。
廣州
研究人員總共向13個代孕母豬移植了1820個胚胎。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產(chǎn)生了人源化腎臟。
研究人員收集了5個嵌合胚胎進行分析(2個在植入后25天，3個在植入后28天)，發(fā)現(xiàn)它們的腎臟在其發(fā)育階段的結(jié)構(gòu)上是正常的，并且由50-60%的人類細(xì)胞組成。25 ~ 28 d時，腎臟處于中腎期(腎臟發(fā)育的第二階段)；它們形成了小管和細(xì)胞芽，最終成為連接腎臟和膀胱的輸尿管。
該團隊還調(diào)查了在整個胚胎中，人類細(xì)胞是否對其他組織有貢獻，這可能會產(chǎn)生倫理影響，特別是如果在神經(jīng)或生殖細(xì)胞系組織中發(fā)現(xiàn)大量人類細(xì)胞，而這些豬是被帶至足月的。他們表明，人類細(xì)胞大多位于腎臟，而胚胎的其余部分由豬細(xì)胞組成。
研究人員指出：
我們發(fā)現(xiàn)，如果你在豬胚胎中創(chuàng)造一個生態(tài)位，那么人類細(xì)胞就會自然進入這些空間。我們在大腦和脊髓中只看到很少的人類神經(jīng)細(xì)胞，而在生殖嵴中沒有人類細(xì)胞，這表明人類多能干細(xì)胞沒有分化成生殖細(xì)胞。這可能通過敲除人類多能干細(xì)胞中的更多基因來進一步阻止，這可以在未來的研究中進行測試。
現(xiàn)在，他們已經(jīng)優(yōu)化了在人豬嵌合體中培育人源化腎臟的條件，研究小組希望讓腎臟發(fā)育的時間更長。他們還在努力在豬身上制造其他人體器官，包括心臟和胰腺。
長期目標(biāo)是優(yōu)化這項技術(shù)用于人體器官移植，但研究人員承認(rèn)，這項工作將很復(fù)雜，可能需要很多年。由于器官由多種類型的細(xì)胞和組織組成，在豬體內(nèi)培育一個功能完整的人源化器官需要一些額外的步驟。在這項研究中，研究人員只為一個細(xì)胞亞群創(chuàng)建了一個龕（niche），這意味著腎臟含有來自豬的血管細(xì)胞，如果它們用于移植場景，這可能會導(dǎo)致器官排斥。
研究人員出：
因為器官不是由單一的細(xì)胞譜系組成的，為了擁有一個一切都來自人類的器官，我們可能需要以一種更復(fù)雜的方式來設(shè)計豬，這也帶來了一些額外的挑戰(zhàn)。
同時，這項技術(shù)可以用于研究人體器官的發(fā)育和發(fā)育性疾病。
研究人員指出：
在我們制造出可用于臨床實踐的器官之前，這種方法為研究人類發(fā)育提供了一個窗口。你可以追蹤你正在注射的人類細(xì)胞并操縱它們，這樣你就可以研究疾病以及細(xì)胞譜系是如何形成的。
原文圖 1 具有優(yōu)良嵌合潛能的人4CL/N/B PSCs的產(chǎn)生
原文圖 2 用人4CL/N/B iPSCs補充有腎缺陷的豬胚胎
附：該研究背景信息
器官移植缺乏免疫組織相容性供體是一個普遍存在的問題，目前尚無直接解決辦法。一種有前景的替代方案是在攜帶人類組織的大型哺乳動物中，通過胚胎與多能干細(xì)胞(PSCs)互補，產(chǎn)生可存活的種間嵌合體，PSCs可接管通過基因編輯在宿主體內(nèi)形成的特定器官發(fā)生障礙生態(tài)位。
小鼠和大鼠的胰腺、胸腺和腎臟等器官已經(jīng)成功實現(xiàn)了種間器官發(fā)生。鑒于豬在生理和器官大小以及胚胎發(fā)育方面與人類相似，因此豬是生長人類器官的一個非常有吸引力的目標(biāo)。然而，在嚙齒類動物以外的哺乳動物中獲得高度的嵌合體一直具有挑戰(zhàn)性。
雖然在ETV2或MYF5/MYOD/ myf6無效豬胚胎中已經(jīng)產(chǎn)生了人類內(nèi)皮和骨骼肌組織補丁，但由于人類PSC來源的細(xì)胞對豬組織的貢獻總體較差，迄今為止還沒有產(chǎn)生實體器官。
種間嵌合率低的主要原因有兩個：(1)在囊胚和隨后的組織龕中與供體細(xì)胞的競爭；(2)供體人PSC來源細(xì)胞和宿主細(xì)胞之間的發(fā)育狀態(tài)差異，阻礙了發(fā)育同步進程。
在注射的PSCs中激活促生存通路可以通過拮抗細(xì)胞競爭誘導(dǎo)的凋亡來促進嵌合體。在這方面，該研究團隊報告了MYCN和BCL2 (N/B)的結(jié)合大大增強了小鼠，兔和豬胚胎的生態(tài)位內(nèi)競爭力，與單因子過表達相比。
此外，該研究團隊最近開發(fā)了一種新的培養(yǎng)基，可以使人PSCs逐步回退到更早期的發(fā)育階段，而在轉(zhuǎn)化過程中沒有明顯的基因組穩(wěn)定性問題。該培養(yǎng)基(4CL)可在胚胎第10.5天(E10.5)達到1%的人-小鼠嵌合，這與過表達抗凋亡因子的預(yù)充PSCs的整合效率相當(dāng)。
人類腎臟是世界上移植最多的實體器官之一，也是胚胎發(fā)育中最早出現(xiàn)的實體器官之一。它經(jīng)歷了前腎、中腎和后腎的順序分化。前腎和中腎的形成和消退是經(jīng)過精心安排的，隨后輸尿管芽侵入后腎間充質(zhì)，從而啟動后腎的形成。
對不同哺乳動物腎臟發(fā)育的研究表明，SIX1調(diào)節(jié)中腎小管(中腎)的形成和后腎發(fā)育的輸尿管芽分支，而SALL1在后腎間充質(zhì)中維持腎單位祖細(xì)胞和新生腎單位。
因此，該研究團隊假設(shè)工程SIX1/ sall1無效豬胚胎將產(chǎn)生從早期中腎到晚期后腎的腎臟缺陷生態(tài)位，這可以允許人類PSCs填補整個腎臟發(fā)育程序。
他們還設(shè)想，結(jié)合N/B過表達和優(yōu)化的PSC培養(yǎng)條件，可以在胚胎互補后實現(xiàn)更高程度的嵌合，從而有助于在這些器官發(fā)生障礙的豬中產(chǎn)生人腎原基。
為了進一步優(yōu)化高異種嵌合體效率，他們還解決了其他潛在的瓶頸，如囊胚互補程序
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