為抗擊疫情，這群經過基因編輯的小鼠們幫了大忙

新冠疫情爆發之後，眾多科研團隊都開啟了藥物和疫苗研製工作。但是無論是新冠病毒研究、藥物試驗、還是疫苗測試，都需要大量實驗動物模型。吳光明及他的團隊採用新的技術僅用35天便造出了ACE2人源化小鼠，相比傳統方式節約了5個月，為抗擊疫情贏得了寶貴的時間。是什麼樣的新技術如此高效？

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為廣州再生醫學與健康廣東省實驗室、細胞命運與譜系研究中心研究員吳光明演講實錄：

大家好，我是吳光明，來自廣州再生醫學與健康廣東省實驗室，我的工作主要是研究早期胚胎發育。

大家知道，胚胎是我們從卵發育成個體的重要階段，我們人體中的所有器官，最初都是從一個看似非常簡單的胚胎發育而來的。

其實在第一次胚胎分化的時候，生物體的很多特性就已經開始決定了。

而我的工作就是研究胚胎的第一次分化是怎麼開始的，由什麼基因來決定。

我們看到的視頻中的每一小團胚胎，最終都會發育成一隻小鼠。

而右邊圖片這一群小鼠，就是我今天演講的主角——為研究新冠肺炎而準備的易感小鼠。

研究新冠肺炎的動物模型

接下來我想給大家分享一下人源化小鼠的故事。

今年1月，新冠肺炎疫情突然在武漢爆發。這種新病毒的殺傷力和傳染力，給人類社會帶來了重創，今天在全球範圍內都沒有平息。

1月23日，我們譜系中心的陳捷凱主任接到武漢封城的消息後，立馬發動全實驗室積極參與省科技廳的應急攻關項目，為抗擊疫情出出力。

我是19年8月才從德國回來，之前20多年都在美國和德國工作。

剛回國四個多月就碰到這麼大的疫情，我每天從實驗室走回宿舍的路上都在想，在國家危難之際，我能做點什麼？

面對新的病毒，儘快研製出藥物和疫苗，是目前的當務之急。

雖然我不是研究傳染病的，我們不能像醫生那樣衝在救治的第一線，但是無論是新冠病毒研究、藥物試驗、還是疫苗測試，都需要大量實驗動物模型。

在武漢封城的第三天，我和捷凱主任商量說，不如我們就來做動物模型吧。

因為臨近春節，大部分人都已經開始放假。項目組的成員都是我們臨時抓到誰是誰、東拼西湊來的，大部分都是本地不用回家過年的人。

左上圖這個女生，她是在離白雲機場還有兩站地鐵的時候，被一條簡訊給拉回來的。

最後從再生醫學省實驗室和中科院廣州生物醫藥與健康研究院一共召集了8個人。

由捷凱和我負責把控，3個人負責基因編輯，另外3個人負責胚胎操作，大致明確了分工以後，我們就正式開始工作了。

因為春節和疫情期帶來的停工，給我們的工作也造成了難度，比如提供實驗試劑、材料的生物技術服務公司很多處於休業或半休業狀態，我們只能想方設法去買。

實驗需要把樣本送到生物島測序，但快遞停了，我們就自己送。

我作為具體實驗工作的負責人，需要盯緊每個實驗環節的操作，不論哪一個環節出現什麼問題，都需要及時想辦法解決。

因為剛回國幾個月，無論是實驗室環境、實驗設備等，我都還在熟悉的階段。

而且我們這8個人來自不同實驗室，又沒有時間磨合，工作中可能有很多不確定因素。對我來說那段時間壓力非常大。

正常情況下，實驗是做完一個環節，等結果鑑定後再做下一步。為了趕時間，我們各個環節都在同步準備，長達一個多月，我們實驗室的燈幾乎就沒有關掉過，因為幾乎就沒有所有人全部離開的時候。

我們做動物模型的目的，是為了在動物身上重現新冠病毒感染人類的病症，從而研發出治療這種疾病的藥物和疫苗。

人源化小鼠的誕生

要培育出可以感染新冠病毒的動物，我們先得弄清楚，新冠病毒是怎麼感染人的？

大家看到，屏幕上這個紅色的球體就是新冠病毒，表面這一個個釘子就是病毒的刺突蛋白。而下方這個樹枝狀的黃色爪子就是人類細胞表面的ACE2酶。

研究發現，和SARS病毒一樣，新冠病毒是通過刺突蛋白，來識別和結合人類細胞的ACE2酶，從而進入細胞，感染人體。

ACE2酶就是像一把鎖，而刺突蛋白就是打開這把鎖的鑰匙。

只要動物體內有與人類高度相近的ACE2酶，新冠病毒就能進入到它們的細胞內，造成人類相同的病症。

猴子和人類的基因、包括ACE2酶是高度相似的，所以可以當作實驗動物。

但用猴子做模型，對費用、場地和人員操作的要求都很高。為了增加結果的可信度，需要通過大量猴子來反覆的進行實驗，這是非常困難的。

而我們常見的實驗動物小鼠，它的個體之間遺傳背景高度一致，而且體形小，容易操作，又可以快速繁殖，是一個較為理想的模型動物。

但問題是，小鼠的Ace2酶與病毒刺突蛋白結合的關鍵部位和人有比較大的差異，導致新冠病毒打不開小鼠細胞表面的鎖，不能進入小鼠細胞，小鼠就不會感染新冠病毒。

而我們所要做的工作，就是通過基因編輯，把小鼠細胞的鎖換成人的，讓小鼠表達出人的ACE2，從而讓病毒能夠進入小鼠細胞，使小鼠對新冠病毒變得易感。

其實除了我們實驗室，還有很多科學家都在用不同的方式獲得易感的實驗小鼠，常見的方法有轉基因的方式和人源化的方式。

轉基因的方法就是將人的ACE2基因注射進小鼠受精卵而獲得轉基因小鼠，這種方法的缺點是，基因表達可能比較隨機。

如果這個ACE2酶沒有在肺的2型上皮細胞表達出來，而是在肺的其它細胞表達出來，就無法準確的在小鼠複製出新冠病毒的致病過程。

另一種方法是製作ACE2人源化小鼠，首先在胚胎幹細胞進行基因編輯，把人的ACE2序列準確的插入到小鼠的Ace2基因位點，再從胚胎幹細胞製作小鼠。

這種小鼠能在特定組織器官中準確、高效的表達人的ACE2蛋白，可以再現新冠肺炎的病理發生，對於研究新冠病毒的致病機理，藥物篩選，以及疫苗評估等，非常有用。

人源化的意思就是用人的基因替換掉小鼠的特定基因，讓小鼠表達出人的某種特徵。

通常開發人源化小鼠的方式用的是幹細胞與正常胚胎結合的嵌合體技術。

這一做法，首先需要做基因編輯模版、因為要在很長的基因串上找到定位，過程通常需要2個月時間。

再在胚胎幹細胞用人的ACE2基因替換掉小鼠的Ace2，這個基因編輯的過程至少需要2個月。

最後將製作成的嵌合體胚胎，移植到母鼠體內，繁殖得到嵌合體小鼠。

第一代小鼠中，來自胚胎幹細胞的組織可能會是皮膚，肌肉，而只有形成生殖細胞的小鼠才算合格，讓他們交配後傳到下一代小鼠，人源化的小鼠才算成功了。

這個動物體內的過程大概要4個月。所以在一切都順利的情況下，整個傳統方法得到小鼠要超過8個月。有的公司用特殊的細胞能稍微快一點，但最快也要6個月。

面對來勢洶洶的疫情，時間就是生命。

我們採用新的方法，只用了一個月，就走完了全部的實驗環節。

我們團隊提出了一個比較獨特的技術方案，繞開傳統的繁育方式，我們直接對小鼠幹細胞進行基因編輯，獲得人源化的胚胎幹細胞。

再結合我們實驗室獨有的高效四倍體補償技術製作ACE2人源化的胚胎，直接將胚胎移植到小鼠體內，快速大量生產人源化小鼠。

那什麼是四倍體補償技術呢？

四倍體胚胎補償技術是將四倍體胚胎與二倍體的胚胎幹細胞聚合成一個胚胎，在聚合胚胎的發育過程中，四倍體的細胞只能發育成胎盤組織，而胎兒則是由二倍體細胞發育而來。

具體來說，首先我們收集小鼠的2-細胞期胚胎，通過電擊融合獲得4倍體胚胎。

小鼠4倍體胚胎有一個特點，因為染色體倍數不對，它不會形成胎兒，只能形成胎盤。

與二倍體的胚胎幹細胞聚在一起，經過培養，它們會形成一個完整的胚胎，正好胎盤就可以支持幹細胞形成胎兒。

有了胎盤，有了胎兒，就可以將人源化小鼠的胚胎直接移植到母鼠的子宮內發育，生下來的小鼠直接就是人源化的小鼠了，繞過了費時的繁殖與篩選過程。

這個過程的成功率跟幹細胞的篩選和移植技術的熟練有很大關係，通常純系小鼠的4倍體技術的成功率是小於1-2%。

但我在原來的實驗室可以做到60%，現在在新的實驗環境中，很多設備和人員還需要磨合，初步的成功率能達到30%。

人源化小鼠

因為有著各種各樣的不確定因素，直到小鼠出生前一刻，我們心裡都沒有底。

在等待的過程中，大家都很期待，也很焦慮，常常會問我，吳老師，我們的小鼠什麼時候出生？能否順利出生，說實話，我也不知道。

我想這也是科學研究的魅力所在。

值得慶幸的是，經過35天，在3月6日，我們第一批的17隻人源化的小鼠順利出生了，並通過了基因型以及基因表達鑑定。

從1月31號開始畫圖做實驗方案，到3月6號首批人源化小鼠出生，我們團隊用35天時間就造出了ACE2人源化小鼠，現在生產了500多隻小鼠，已經送往國家P3實驗室進行病毒及疫苗測試了，為抗擊疫情贏得了寶貴的時間。

目前，我們人源化小鼠的工作還在不斷的優化改進。

現在我們大家都知道，新冠病毒感染會出現兩種極端狀況，有些人是無症狀或輕症感染，約有20%的患者會表現為重症。

症狀最嚴重的大多是老年人，或患有糖尿病，高血壓，心臟病等基礎性疾病的病人，但也有一部分相對年輕且沒有基礎疾病的病人死於新冠肺炎。目前還無法解釋為什麼會出現這種情況。

所以針對有不同基礎疾病、有不同臨床表現的病人，進行差異分析，是非常必要的，包括分析基因差異和重症的關係，都有助於對症下藥。而這也都需要動物模型來驗證和研究。

上一批我們所用的黑色小鼠，不容易表現出重症患者的症狀，因為它的免疫功能非常強大。

所以我們現在正在嘗試用白色小鼠建立新的ACE2人源化小鼠模型，並在此基礎上對與糖尿病、高血壓、老齡化以及免疫疾病相關基因進行編輯，目標是在小鼠建立新冠肺炎的重症模型。

這對於新冠肺炎的致死機理研究，藥物篩選，以及疫苗評估具有極其重要的作用。

這次疫情就像一面鏡子，讓我們看到在意外到來時，人類社會做得好的一面和不好的一面，在科學研究上也是這樣。

我們國家離世界最新最先進的生物技術實際相差不遠，基本上國外能做到我們就能做。我們甚至還可能做的更好，這也反映了我們國家科技的一個進步，面對挑戰，我們應該自信，應該有底氣。

這是我們團隊少有的一張合照，目前我們的ACE2人源化小鼠項目仍在有條不紊的推進。

現在回頭看看，我們的成功不是偶然。面對疫情，團隊的所有人沒有休假，都在爭分奪秒的工作，這讓我非常感動。

這裡我要對我們團隊的每一個成員說一聲謝謝，謝謝你們的家國情懷和擔當精神。我今天就講到這裡，謝謝大家！

「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。