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中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院賴良學(xué)研究員、戴禎研究員、Miguel A. Esteban研究員、潘光錦研究員等在 Cell 子刊 Cell Stem Cell 上發(fā)表了題為：Generation of a humanized mesonephros in pigs from induced pluripotent stem cells via embryo complementation 的研究論文，該論文還被選為當期封面論文。

該研究成功制造出包含人細胞和豬細胞的嵌合胚胎。移植到代孕母豬體內(nèi)28天后，發(fā)育中的人源腎臟結(jié)構(gòu)和腎小管形成正常。這是科學(xué)家們第一次能夠在另一個物種體內(nèi)培養(yǎng)出一個實體人源器官。
該技術(shù)可用于研究人體器官的發(fā)育和發(fā)育性疾病，從長遠來看，該技術(shù)還有望用于人體器官移植。

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。

論文通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院賴良學(xué)研究員表示，小鼠的器官已經(jīng)在大鼠身上培育出來了，大鼠的器官也在小鼠身上培育出來了，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細胞與受體組織的整合，使我們能夠在豬身上培養(yǎng)人類器官。

將人類干細胞整合到豬胚胎中一直是一個挑戰(zhàn)，因為豬細胞比人細胞更具競爭力，而且豬細胞和人細胞有不同的生理需求。

論文共同通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院潘光錦研究員表示，我們一直在研究如何克服物種間嵌合體效率極低的問題。而在這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)了幾個關(guān)鍵因素，通過促進細胞競爭來促進種間嵌合體的形成。
該團隊的技術(shù)包括3個關(guān)鍵組成部分：

首先，研究人員利用CRISPR基因編輯技術(shù)對單細胞豬胚胎進行改造，使其缺失腎臟發(fā)育所需的兩個基因，從而在豬胚胎中創(chuàng)造了一個空位，使人細胞不必與豬細胞競爭；

其次，研究人員改造了人類多能干細胞，通過暫時關(guān)閉細胞凋亡，使它們更容易整合，更不容易自我毀滅。然后將這些細胞培養(yǎng)在一種特殊的培養(yǎng)基中，轉(zhuǎn)化為類似于早期人類胚胎細胞的“天然”細胞；

第三，在將發(fā)育中的胚胎植入代孕母豬之前，研究人員在能為人細胞和豬細胞提供獨特營養(yǎng)和信號的最優(yōu)條件下培養(yǎng)了嵌合體，因為人細胞和豬細胞通常有不同的需求。

研究人員共將1820個胚胎移植給了13頭母豬。在25天或28天后，終止其妊娠并提取胚胎，以評估嵌合體是否成功地產(chǎn)生了人源腎臟。
研究人員收集了5個嵌合胚胎（植入后25天的2個和植入后28天的3個）進行分析，發(fā)現(xiàn)它們具有發(fā)育階段結(jié)構(gòu)正常的腎臟，并且由50%-60%的人類細胞組成。在第25-28天，腎臟進入中腎期（腎臟發(fā)育的第二階段），形成了小管和細胞芽，這些最終將發(fā)育成連接腎臟和膀胱的輸尿管。

胚胎內(nèi)的人源化腎細胞（紅色熒光）與野生型豬胚胎對比

研究團隊還研究了人類細胞是否在整個胚胎中對其他組織有影響，這可能具有倫理啟示，特別是如果在豬仔的神經(jīng)或生殖系組織中發(fā)現(xiàn)大量的人類細胞。他們發(fā)現(xiàn)，人細胞絕大部分位于腎臟，而胚胎的其余部分則由豬細胞組成。

論文共同通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院戴禎研究員表示，我們發(fā)現(xiàn)，如果在豬胚胎中創(chuàng)造一個空位，那么人細胞就會自然地進入這些空間。我們在大腦和脊髓中只發(fā)現(xiàn)了很少的人類神經(jīng)細胞，在生殖嵴中沒有發(fā)現(xiàn)人類細胞，這表明人類多能干細胞沒有分化成生殖細胞。而通過敲除人類多能干細胞中的更多基因，可以進一步防止這種情況的發(fā)生，這可以在未來的研究中進行測試。

現(xiàn)在，該研究團隊已經(jīng)優(yōu)化了在人豬嵌合體中生長人源腎臟的條件，并希望能讓腎臟發(fā)育更長的時間。他們還計劃在豬身上培育其他人體器官，例如心臟和胰腺。

研究團隊表示，長期目標是優(yōu)化這項技術(shù)以便用于人體器官移植，但這項工作將是復(fù)雜的，可能還需要多年時間積累。由于器官由多種類型的細胞和組織組成，在豬身上培養(yǎng)一個功能齊全的人源器官還需要一些額外的步驟。這項研究僅為一種細胞亞群創(chuàng)造了一個空位，這意味著腎臟中含有豬血管細胞，如果用于移植，可能會導(dǎo)致排異。

論文共同通訊作者、中科院廣州生物醫(yī)學(xué)與健康研究院Miguel a . Esteban研究員表示，器官不僅僅是由一個細胞譜系組成的，為了讓一個器官的一切都來自人類，我們可能需要用更復(fù)雜的方式來“改造“豬，這也會帶來一些額外的挑戰(zhàn)。在能制造可供臨床使用的器官之前，這種方法為研究人類發(fā)育提供了一個窗口，可以追蹤注入的人類細胞并操縱它們，進而研究疾病和細胞譜系是如何形成的。