《Cell Stem Cell》猪体内培养了28天的胚胎人源肾脏

　　

广州生物医学与健康研究院的研究人员已经成功地制造出了包含人类和猪细胞组合的嵌合胚胎。当移植到代孕猪母亲体内时，28天后发育中的人源肾脏结构和小管形成正常。这是科学家们第一次能够在另一个物种体内培养出一个固体的人源器官，尽管之前的研究已经使用类似的方法在猪体内培养出血液或骨骼肌等人体组织。这项研究发表在9月7日的《Cell Stem Cell》杂志上。

研究人员关注肾脏的原因是因为肾脏是最早发育的器官之一，也是人类医学中最常见的移植器官。

来自中国科学院广州生物医学与健康研究所的通讯作者赖学良研究员说:“人的器官已经在鼠身上培育出来了，但之前在猪身上培育人类器官的尝试都没有成功。我们的方法改善了人类细胞与受体组织的整合，使我们能够在猪身上培养人类器官。”

将人类干细胞整合到猪胚胎中一直是一个挑战，因为猪细胞比人类细胞更具竞争力，而且猪和人类细胞有不同的生理需求。“我们一直在研究克服物种间嵌合体极低效率的机制，”该研究作者、广州生物医学与健康研究院的潘光锦说。“我们发现了几个关键因素，通过促进细胞竞争来促进物种间嵌合体的形成。”

该团队的技术取决于三个关键组成部分:

• 首先，他们利用CRISPR技术对单细胞猪胚胎进行基因工程改造，使其缺失肾脏发育所需的两个基因，从而在猪胚胎中创造了一个生态位，使人类细胞不必与猪细胞竞争。

• 其次，研究人员设计了人类多能干细胞——一种有潜力发展成任何细胞类型的细胞——通过暂时关闭细胞凋亡，使它们更容易整合，更不容易自我毁灭。然后，他们将这些细胞在一种特殊的培养基中培养，转化为类似于早期人类胚胎细胞的“幼稚”细胞。

• 第三，在将发育中的胚胎植入代孕母猪之前，研究人员在优化的条件下培养嵌合体，为人类和猪细胞提供独特的营养和信号，因为这些细胞通常有不同的需求。

研究人员总共将1820个胚胎移植给了13位代孕母亲。在25天或28天后，他们终止妊娠并提取胚胎，以评估嵌合体是否成功地产生了人源肾脏。

研究人员收集了5个嵌合胚胎(植入后25天的2个和植入后28天的3个)进行分析，发现它们具有发育阶段结构正常的肾脏，并且由50-60%的人类细胞组成。25-28天，肾脏进入中肾期(肾脏发育的第二阶段);它们形成了小管和细胞芽，最终成为连接肾脏和膀胱的输尿管。

该团队还调查了人类细胞是否在整个胚胎中对其他组织有贡献，这可能具有伦理意义，特别是如果在神经或种系组织中发现了大量的人类细胞，并且这些猪已经足月。他们发现，人类细胞大部分位于肾脏，而胚胎的其余部分则由猪细胞组成。

“我们发现，如果你在猪胚胎中创造一个生态位，那么人类细胞就会自然地进入这些空间，”广州生物医学与健康研究所的通讯作者戴祯研究员说。“我们在大脑和脊髓中只发现了很少的人类神经细胞，在生殖嵴中没有发现人类细胞，这表明人类多能干细胞没有分化成生殖细胞。”研究人员说，通过敲除人类多能干细胞中的更多基因，可以进一步防止这种情况的发生，这可以在未来的研究中进行测试。

现在，他们已经优化了在人猪嵌合体中生长人源肾脏的条件，研究小组希望让肾脏发育更长的时间。他们还在努力在猪身上培育其他人体器官，包括心脏和胰腺。

长期目标是优化这项技术用于人体器官移植，但研究人员承认，这项工作将是复杂的，可能需要多年时间。由于器官由多种类型的细胞和组织组成，在猪身上培养一个功能齐全的人源器官还需要一些额外的步骤。在这项研究中，研究人员仅为一种细胞亚群创造了一个生态位，这意味着肾脏中含有来自猪的血管细胞，如果用于移植，这可能会导致器官排斥。

广州生物医学与健康研究所的通讯作者Miguel A. Esteban说:“因为器官不仅仅是由一个细胞谱系组成的，为了让一个器官的一切都来自人类，我们可能需要用更复杂的方式来设计猪，这也带来了一些额外的挑战。”

同时，该技术可用于研究人体器官的发育和发育性疾病。

Esteban说:“在我们进入制造可供临床使用的器官的后期阶段之前，这种方法为研究人类发育提供了一个窗口。你可以追踪你注射的人类细胞并操纵它们，这样你就可以研究疾病和细胞谱系是如何形成的。”

Generation of a Humanized Mesonephros in Pigs from Induced Pluripotent Stem Cells via Embryo Complementation’