11月7日，備受矚目的2020騰訊科學WE大會在深圳舉行，大會通過直播連線的方式邀請7位來自4大洲、6個國家的頂尖科學家在主會場分享了量子物理、幹細胞、天體物理學、化學工程、神經科學、天文學等領域的最新科技進展盛況。
史丹福大學教授中內啟光分享了最具挑戰性的科研項目——異種培育人體器官的相關研究實驗。嘉賓發言全文如下：我的演講題目是：異種培育人體器官，我們正嘗試在動物體內培育功能完整的可移植的人體器官。為什麼要研究這個課題？很多病人都會出現晚期器官衰竭，對於某些人體器官，我們已經有人造或機械器官來取代它們的功能，但目前器官移植仍是治療晚期器官衰竭的唯一方法。可是這種療法面臨幾個問題，我認為器官捐獻不足是主要問題之一。例如在美國，10萬多人在等待器官移植，但只有3萬人能夠獲得移植，這導致每天都有20人在等待移植的過程中逝去。另外，每10分鐘就會新增一名需要器官移植的病人，因此器官移植的供需有著巨大的差距，再加上器官捐獻嚴重不足，甚至催生了販賣人體器官的黑市。據估計，全球10%的移植器官都來自這些非法黑市，所以這是一個嚴肅的倫理問題。即使病人足夠幸運得到了移植，也必須吃藥來抑制免疫系統，防止人體對移植器官產生排異反應。缺乏捐獻和免疫排斥這些問題，其實都是可以解決的。比如我們用患者自身的幹細胞製造出可移植的器官，但顯然這並不容易。因為器官是三維立體的，一個器官就有很多不同的血清型，所以在培養皿中用器官生成器官的方法是不可行的。我的思路是在活體中培育器官，也就是在動物體內的生長環境中，通過使用誘導多能幹細胞技術製造嵌合體的方法來培育器官。我想先解釋兩個問題，首先，什麼是嵌合體？它並不是希臘神話中或漫畫中的怪物，而是具有有著不同基因背景的兩種或更多種血清型和細胞的混合體，有著兩種不同基因背景的細胞。大家比較容易理解的可能是部分嵌合體，比如接受了血液、骨髓或器官移植的人，就是所謂的部分嵌合體，因為他體內有別人的細胞。但我要講的是系統性嵌合體，它是由兩個早期胚胎結合在一起形成的。由於系統性嵌合體有可能在體內生成任何細胞，所以它的每個組織和器官中都有兩種類型的細胞，這就與部分嵌合體不同。那我們怎麼得到嵌合體呢？我們將小鼠的多能幹細胞注入大鼠的囊胚期胚胎，囊胚期是胚胎的早期階段，通常是受孕後的三到四天形成。我們通過這裡展示的顯微操作注入這些小鼠的誘導多能幹細胞，我們將誘導多能幹細胞做成紅色，24小時後它看起來就是這個樣子。很明顯這些細胞結合在了一起，這就是嵌合體胚胎。然後我們把這些胚胎注入到受體鼠體內，三周後兩種鼠類的嵌合體就產生了，這就是我們培育嵌合體的方法。那什麼是誘導多能幹細胞？我認為它是最偉大的生物學和醫學發現之一。非常令人驚訝，比如我們選用皮膚纖維源細胞之類的體細胞，然後在其中引入胚胎幹細胞中的4個基因。我們會驚訝地發現這些體細胞變成了多能幹細胞這樣的胚胎幹細胞，這就是誘導多能幹細胞名字的由來。生成之後，它們就像胚胎幹細胞一樣活動，並且可以分化成許多不同的細胞類型。這項技術可以讓我們容易地培育來自患者的多能幹細胞，這不僅是對生物學也是對醫學的重要貢獻，尤其是再生醫學，它的發現者山中伸彌也因此在前些年獲得了諾貝爾獎。這張圖展示了我們未來的目標，大家可以看到，我們正在研究在牲畜體內培育人體器官。假設有一位晚期心衰患者，我們首先生成患者的誘導多能幹細胞，然後將其注入有器官形成障礙的豬胚胎的囊胚中。這個胚胎事先經過基因改造，所以無法自我形成心臟。那麼如果我們可以生成人-豬嵌合體，這個嵌合體全身都應該有人類細胞，尤其心臟應該完全是由人類細胞組成的，因為豬細胞無法生成心臟。所以當這隻嵌合體豬長到一定程度，我們就可以取出心臟供人體移植。儘管這顆心臟是在豬體內培育的，但心臟細胞完全來自病人自己的誘導多能幹細胞，所以它本質上屬於自體器官移植。也就是病人自己的細胞和心臟移植到自己體內，所以移植時和移植後都不需要免疫抑制，這就是我的設想，人們稱之為囊胚器官互補。這聽起來像科幻故事，但我們已經通過嚙齒類動物實驗得到了很好的數據驗證。這是我們前些年做的第一個實驗，我們準備了無法形成腎臟的小鼠，因為我們刪除一個叫Sall 1的基因，這個基因是形成腎臟的關鍵。我們將野生小鼠的胚胎幹細胞和誘導多能幹細胞注入無法生成腎臟的小鼠囊胚中，注入的多能幹細胞生成的細胞，在某種程度上彌補了胚胎無法生成腎臟的不足，並最終與腎臟形成一個嵌合體。而這樣形成的腎臟完全來自注入的多能幹細胞，不僅是腎臟，該方法還適用於培育其它器官。比如，胰臟、胸腺、肝臟、血管和血液，以及最近培育的腦、肺和甲狀旁腺等。我們對大多數器官的試驗都取得了成功，因此該方法應該能夠實現通過誘導多能幹細胞培育器官，但這是同一種鼠類之間的嵌合體。為了培育人體器官，很顯然我們還需要利用其它物種來進一步試驗。因此為了驗證不同物種，驗證我們能否跨越物種壁壘。我們嘗試了用兩種鼠類來獲得驗證數據。它們看起來很像，但卻是不同的物種，它們不能交配，它們的染色體數量不同。大家可以看到，大鼠比小鼠體型大10倍。我們想要證實這種跨物種囊胚互補的設想，如大家所見，我們嘗試培育出有大鼠胰臟的小鼠。我們將大鼠的多能幹細胞注入刪除了Pdx1基因的小鼠的胚胎內，Pdx1是胰腺發育的一個重要基因。實驗結果令人驚訝又覺得有趣，嵌合體胰臟與小鼠胰臟一樣大小。本來我們預計嵌合體胰臟會綜合兩種鼠類的特性，大小介於兩者之間，但我們得到的嵌合體胰臟都是和小鼠胰臟一樣大。小鼠胰臟般大小的嵌合體胰臟，反過來也是一樣。因此儘管胰臟細胞是由大鼠的細胞組成的，但胰臟的大小卻和小鼠的一樣。由於胰腺太小，並不能移植回大鼠體內，這是我們想向大家說明的一點。隨後我們嘗試了另一種方法，我們進行了一個相反的實驗。我們準備了刪除了Pdx1基因的大鼠，將小鼠的誘導多能幹細胞注入大鼠的胚胎。大家可以猜到，這次我們得到了和大鼠胰臟一樣大的嵌合體胰臟，大部分胰臟的大小都和大鼠的一樣。看來決定器官大小的不是細胞，而是發育環境，發育環境似乎決定了器官的大小。但還是一樣的問題，大鼠體內生出的胰臟太大，無法移植到小鼠體內。因此我們沒有移植整個器官，而是嘗試移植胰島。大鼠體內生成的小鼠胰臟的胰島，胰島是胰臟中的一小簇細胞。胰島包含重要的細胞，比如可分泌胰島素以維持正常血糖水平的β細胞。我們從大鼠生成的巨大的小鼠胰臟中提取出了胰島，然後將100個胰島移植到了有糖尿病的小鼠體內，我們是通過藥物誘發糖尿病的。大家可以看到，通常有糖尿病的小鼠的血糖水平超過400mg/dl，但所有接受胰島移植的小鼠的血糖水平都在一年後恢復正常，而當我們把胰島從小鼠體內取出後，它們的血糖水平又上升了。這表明移植的100個胰島對血糖水平恢復正常起到了作用，我們用的是成年小鼠作為受體。它們生存了兩年，維持正常血糖水平一年，因此這幾乎是意味著終生治癒。最重要的是，因為沒有發生排異反應，我們沒有對小鼠進行任何長期免疫抑制。因為胰臟細胞都是來自小鼠自身的，我是說胰臟細胞屬於小鼠的自體細胞，儘管胰臟是在大鼠體內生長的。我們對這些數據很滿意。如大家所知，小鼠和大鼠這樣的嚙齒類動物體型太小，無法用於培育人體器官，所以我們決定在更大的動物身上進行實驗。我們選擇了豬和羊，因為它們在器官大小以及生理學和解剖學上與人類相似，而且它們生長速度快，它們的器官可以在一年之內就長到和人體器官差不多大小。而猴子這樣的靈長類動物，它們需要更長的時間才能長得足夠大、足以培育人體器官。我們已經完成了實驗並發表了論文，證明囊胚器官互補法在豬這樣的大型動物身上也是可行的，我們能夠在胰臟克隆豬體內培育外生豬胰臟。現在我們正在史丹福大學進行人-羊嵌合體培育試驗。如圖所示，我們將人類誘導多能幹細胞注入綿羊胚胎，24小時後就是這個樣子。我們仍然可以在綿羊胚胎中看到tdTomato標記的人類誘導多能幹細胞，然後我們將這些嵌合體胚胎移植到代孕母羊的體內。大家可以看到，和鼠類實驗不同，這是個大工程。我們需要很多醫生的幫助，手術在加州大學戴維斯分校進行，可以看到我們的合作者羅斯教授，正在將這些嵌合體胚胎注入代孕母羊的子宮。雖然人類誘導多能幹細胞注入了母羊體內，但它們會隨著時間的推移而消失。不過它們為人-羊嵌合體研究做出了有意義的貢獻，對於人-豬嵌合體實驗也是如此，所以我們認為跨物種嵌合體的形成是有壁壘的，我們稱之為異種壁壘。我認為這似乎反映了兩個物種之間的基因或進化差異，這種差異在鼠類齧齒動物之間比在人與豬或羊之間要小，因此了解和改造這一異種壁壘，可能就是在動物體內成功培育人體器官的關鍵。最後，我想談談這項研究的倫理和社會問題。我知道這項研究會涉及到一些這樣的問題。通過和他人的討論我發現，很多人的擔憂在於動物的人像化，比如人面豬身，這是具有人腦或人類生殖細胞的豬，還有人認為利用動物培育人類器官是對動物福祉的侵害。 但我想強調的是，我們的所有研究都是在得到相關機構批准的情況下進行的，包括政府以及史丹福大學道德委員會和相關大學的動物實驗委員會。我們正一步步地做研究，保持透明度並接受這些機構的監督。特別是如果研究取得成功並能夠為患者提供自體器官，就可以挽救許多患者的生命或提高他們的生活質量，並大大降低醫療費用。
沈瑋 貴州日報天眼新聞記者 陳大煒 嶽端 邱凌峰
編輯 章虹編審 李中迪 羅瑋