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这名8岁辍学的农家少年,有望改写人类器官移植格局

2017/09/21 来源:药明康德
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导读
贝尔蒙特(Juan Carlos Izpisua Belmonte)教授花了数年时间研究基因如何控制身体各个组织的形状,是什么让细胞发育成翅膀而不是腿。他一直在思索,为什么蝾螈在失去身体的一部分后还能重新长出完美的新器官。他想知道,人类也能有这样的能力吗?

本文转载自“药明康德”。

贝尔蒙特(Juan Carlos Izpisua Belmonte)教授花了数年时间研究基因如何控制身体各个组织的形状,是什么让细胞发育成翅膀而不是腿。他像个交通警察一样,引导细胞向左走还是向右走。他找到了一种方法,让动物长出额外的肢体。他一直在思索,为什么蝾螈在失去身体的一部分后还能重新长出完美的新器官。他想知道,人类也能有这样的能力吗?


▲位于SALK研究所的Juan Carlos Izpisua Belmonte实验室(图片来源:STAT)

现在,贝尔蒙特教授的团队可能找到了一种方法,“人猪”嵌合体(chimeras)——含有人类细胞的胚胎猪。

如果这项发明能够应用,最终将可以用来培育完整的人体器官,缓解器官移植的致命短缺。它们也可用于药物临床试验:猪体内的人肺可能比目前用的试验动物更能准确地预测在研药物(例如囊性纤维化)的疗效。

他终于找到自己一生中最想做的事

57岁的贝尔蒙特教授出生在西班牙一个贫穷的农民家庭,他8岁就辍学在田里干活,母亲不识字。16岁时他才有机会重新入学。年轻的贝尔蒙特对科学毫无兴趣,他想学哲学。但是在他前往哲学系的路上,一座美丽的建筑吸引了他,然后他就在那里注册了——西班牙巴伦西亚大学(University of Valencia)药学院。


▲巴伦西亚大学药学院(图片来源:巴伦西亚大学)

后来,贝尔蒙特教授一直念完博士,又去了德国海德堡的一个实验室做博士后,研究胚胎基因学。在充满了基因和胚胎组织的实验室,作为生物学家的贝尔蒙特教授考虑了一个哲学问题:单一的细胞怎么能发育成一个完整的个体?细胞分化的指示从哪里来?人类与其他动物究竟有多少差异?

他说,他终于找到了自己一生中最想做的事。

1993年,贝尔蒙特教授加入Salk研究所,成为全球最著名的生物医学研究所之一的一员。不久后,胚胎干细胞的研究开始兴起,这也让贝尔蒙特教授看到了它的潜力。2003年,贝尔蒙特教授的祖国西班牙通过了一项批准干细胞研究的法规。第二年,他就帮助建立了巴塞罗那再生医学中心(Centro de Medicina Regenerativa de Barcelona),在那里可以开展干细胞研究工作。这也让他成为了西班牙干细胞研究的领军人物。

在美国和西班牙的实验室,贝尔蒙特教授都不满足于研究鸡和老鼠——胚胎学的标准实验动物。他在实验室饲养了墨西哥蝾螈(Mexican axolotls),这种两栖动物不仅可以再生肢体,还可以再生下巴,脊椎和大脑。


▲墨西哥蝾螈(图片来源:Izpisúa Belmonte Lab)

他在圣地亚哥的实验室也是当地研究斑马鱼(zebrafish)的第一个实验室,斑马鱼的胚胎发育是透明的,肉眼就可以观察。贝尔蒙特教授说:“我的实验室就像一个动物园”。


▲斑马鱼(图片来源:Izpisúa Belmonte Lab)

他开始探索四肢的再生。对贝尔蒙特教授来说,四肢就像“身体外的小胚胎”。四肢包含许多不同类型的细胞,包括肌肉,骨骼,皮肤和神经,但是它们可以通过特定和复杂的模式,完成再生。另一方面,四肢也很像器官,两者都有相同的基因和发育途径。

来自不同物种的组织可以一起生长?

2006年,日本科学家山中伸弥发现,成年细胞可以重新编程成干细胞,减轻大多数道德问题,再次激活了干细胞研究领域(他后来被授予诺贝尔奖)。一时间大家都认为干细胞能够产生任何物质,包括人体器官,仿佛能够解决一切医学难题。许多实验室蜂拥而上研究干细胞,包括贝尔蒙特教授也尝试过在支架上诱导表达不同的干细胞类型,使其长成特定的器官。

但这些试验大多以失败告终。贝尔蒙特教授说:“当时我们试图用有限的知识来模拟自然”,但是后来发现不能在培养皿中“训练”细胞,也不能形成复杂的三维结构。

然后突然灵光一闪。贝尔蒙特教授想起他去德国做博士后发表的第一篇文章中,将小鼠胚胎组织移植到小鸡胚芽后,发育正常。这表明,发育信号在不同的物种中可能是相似的,而且来自不同物种的组织可能可以一起生长!原来,嵌合体的想法老早就在贝尔蒙特教授的脑中存在了,虽然此后它被搁置了很多年。

贝尔蒙特教授立马在小鼠中开展嵌合体研究。他成功了。各种类型的人类干细胞都可以在小鼠体内生长。但他很快发现,即使可以在老鼠身上长出人类的肝脏,体积也太小了,没有使用价值。

贝尔蒙特教授想到了大型动物。将多能干细胞注入早期胚胎的技术,已经证明可以生成“人牛”嵌合体。但是他发现猪更便宜,而且便于研究。猪和人类在大约9600万年前拥有共同的祖先,猪的器官大小跟人相似,也有在人类医学上应用的先例。


▲贝尔蒙特教授和吴军博士(图片来源:SALK研究所)

所以,他最终选择建立“人猪”嵌合体。但是,让人类细胞在猪体内生长比他们想象的困难得多。最后,这项研究花了4年时间,远超预期。

贝尔蒙特实验室的高级研究员吴军博士是项目主要研究人员,他说:“我们原本已经不指望(在猪胚胎里)看到任何人类细胞了”。

4年,9000头猪,2000个胚胎

贝尔蒙特教授最后是怎么实现这个不可能的任务,突破“人猪”嵌合体培育的重重困难呢?

首先,他利用了规模思维。他召集了西班牙农场的40名猪农,花了4年时间在9000头猪身上进行实验,将人类干细胞注入近2000个猪胚胎。


▲西班牙Agropor工厂的猪,供嵌合体实验使用(图片来源:STAT)

其次,贝尔蒙特教授对发育的理解十分深刻。猪胚胎发育只要3个月,而人类需要9个月,猪和人类细胞在一起发育,就像高速公路上行驶不同速度的汽车,最后一定容易出事故。为了克服这个问题,贝尔蒙特教授在实验中使用了不同年龄的人类干细胞。理论上,接近原始分化状态的干细胞可能最有效,因为它们具有分化为任何类型细胞的潜力;但最终结论是,猪胚胎更容易接受中间状态或稍微老化的人类干细胞。

此外,贝尔蒙特教授也考虑到干细胞发育的空间问题,他是考虑该问题的第一人。去年,他发表了一篇“区域特异性”干细胞的文章,发现一些干细胞的功能更强大是依赖于它们在胚胎中的起源位置。

在这项研究中,注入人类多能干细胞的猪胚胎在培养皿里生长了几天后,被移植到代孕母猪体内继续发育。21到28天之后(猪的妊娠期是114天),研究员收集到186只存活的胚胎。

虽然成功率很低,但是他们做到了。通过在猪胚胎里注入人类干细胞,贝尔蒙特教授团队实现了10万个人类细胞中有1个能够在猪胚胎里存活!


▲在4周龄的嵌合型猪胚胎中,发育中的心脏中的人类细胞(绿色)(图片来源:SALK研究所)

虽然人体细胞比例微乎其微。而且这离培育成器官,还隔着免疫排斥、神经和血管生成的距离,但是哈佛医学院院长,干细胞研究专家Daley教授仍然将这个发现视为“巨大的突破”。

CRISPR技术19天改变达尔文进化规则

这离人类器官移植的临床需求又进了一步。但是贝尔蒙特教授坦承,在猪身上培育人体器官还有很长很长的路要走。

首先,需要研究出人类细胞比例更高的嵌合体。现在他们已经有了突破的方法。其中之一就是被誉为“魔剪”的基因编辑技术CRISPR。利用CRISPR来编辑参与器官发育的基因,可以在宿主的基因组中产生一个空位,然后插入理想的供体基因。

利用CRISPR进行“小鼠大鼠”嵌合体的试验很成功,产生了胰腺、心脏和眼睛中富含大鼠细胞的小鼠。甚至在小鼠的胆囊内,研究人员都观察到了大鼠细胞。这个结果令贝尔蒙特教授令人震惊——数百万年以来,自然界的大鼠都没有胆囊。


▲在嵌合小鼠胚胎中,发育中的心脏含有大量的大鼠细胞(图片来源:SALK研究所)

他说:“这真是太棒了,进化的发生不需要经过数百万年,而是19天(小鼠标准妊娠时间)”!

目前,贝尔蒙特教授正在致力于使用CRISPR技术来增加猪器官中的人体细胞数目。他们实验室发现了两种新型的干细胞,现有实验显示这些干细胞在嵌合体中的存活能力更加强大。其中一种被认为是干细胞研究的顶峰,因为除了能够在体内产生任何类型的细胞之外,它还可以形成胚胎生存需要的组织,如胎盘和羊膜。

结束语

由于伦理的原因,目前,这些“人猪”嵌合体不允许发育到胎儿阶段。但是科学家希望,这项发明最终可以用来培育完整的人体器官,缓解器官移植的致命短缺。以美国为例,此时此刻,正在排队等待器官移植的患者人数高达12万。然而,能够用以移植的器官数量却非常有限,死神往往比可移植的器官更早到来,夺走患者的生命。据估计,2016年,每天都有22名患者在等待器官移植的过程中死去。

为成千上万的绝望的人创造器官移植机会,这也是贝尔蒙特教授认为他能做的最重要的事情之一。我们共同期待技术造福人类健康的那一天早日到来。

参考资料:

[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

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