同時具有小鼠大鼠兩個物種細胞的胚胎(圖:Nature)

「喀邁拉」(chimera)是希臘神話中一隻會噴火的怪獸,其頭部、軀幹和尾部分別具有獅子、羊和蛇的形態。遺傳學上,「喀邁拉現象」指的是不同合子(zygote)來源的細胞構成的生物個體,即「嵌合體」。

多年來,科學家一直試圖將人類細胞導入動物胚胎,構建嵌合體幹細胞,培養出功能完整並且可移植的器官。近年,一個由遺傳學家彼爾蒙提(Juan Carlos Izpisua Belmonte)教授領導的研究團隊正式開始利用幹細胞構建人豬嵌合體,並成功培育擁有人豬細胞的胚胎。

利用幹細胞構建嵌合體

此前,在 2010 年,科學家曾經在小鼠胚胎中導入大鼠細胞,成功培養出大鼠小鼠嵌合體。為了獲取構建嵌合體的經驗,彼爾蒙提教授及其團隊首先重複了該項實驗,成功培育出大鼠小鼠嵌合體。

接下來,因為牛和豬的器官大小與人類器官相似,他們開始將人類細胞導入牛和豬的胚胎。在四年的時間裡,他們向 1500 個豬胚胎中導入了人類幹細胞。

其中,少數存活下來的細胞最終長成了人豬嵌合體,然後移植到母豬體內,發育三至四周。彼爾蒙提教授說,這段發育時間足夠研究人員了解人和豬的細胞在早期是怎樣融合的,同時又不會引起倫理問題。

挑戰與前景

在培養皿中從幹細胞長出三維組織和器官並不容易。Izpisua Belmonte 用「複製鑰匙」打比方。複製的鑰匙與原件看起來一樣,可是卻打不開門。可見,一定是哪裡出了問題。「我們當初認為,在動物體內培養人體細胞應該會獲取良好的效果,但結果並非如此。對於細胞的早期發育,我們仍然需要大量研究。」

實驗中,最容易在豬胚胎中存活並繼續發育的是「中間態」(intermediate)幹細胞。Wu 解釋說,中間態幹細胞處於「naive」和「primed」兩種狀態之間。naive 幹細胞擁有無限的分化發育潛能,是早期發育細胞;primed 幹細胞經過發育後,分化能力受限,但仍然具有多能性。

構建嵌合體的最終目的,是培養出具有功能並且可移植的器官。顯然,目前還遠未達到,但已邁出了重要的第一步。

人類胚胎(圖:PBS)

不過,即便是表現最好的人源細胞,在整個嵌合體胚胎中所佔比例也很低。這並非全是壞事,畢竟人們一直擔心人和動物的嵌合體胚胎長得太像人了。彼爾蒙提教授評價道,之前人們想知道人源細胞是否可以整合入動物體內。這一結果給出了肯定答案,確認了實驗的可行性。接下來的挑戰,就是提高效率,引導人源細胞在豬體內長成特定的器官。

當然,這一目標還需要更多努力。如果成功,嵌合體胚胎將幫助解決器官移植中的多個問題。

最後,關於嵌合體的倫理問題,研究團隊表示,他們不打算培養成熟的嵌合體生物。科學家直言,這太瘋狂了,其中的倫理問題將非常棘手。

 

參考資料:

  1. Wu, J. et al. (2017). Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. Cell. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.12.036
  2. Devlin, H. (2017). First human-pig ‘chimera’ created in milestone study. The Guardian.
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